05.11.13 "Прилади і методи контролю та визначення складу речовин"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/17000
Переглянути
13 результатів
Результати пошуку
Документ Багатопараметричний контроль якості функціонування інформаційно-вимірювальних систем різного призначення з урахуванням факторних впливів(2024) Григоренко, Ігор ВолодимировичДисертаційна робота присвячена науково-практичній проблемі підвищення вірогідності методів багатопараметричного контролю якості функціонування інформаційно-вимірювальних систем різного призначення шляхом визначення та урахування факторного впливу на результат вимірювань показників контролю за рахунок використання тестових методів, методів статистичного аналізу, апарату нечіткої логіки для забезпечення максимально високої вірогідності отриманих результатів і як наслідок – підтримки встановлених у стандартах норм на вихідні параметри кінцевого продукту. The dissertation is devoted to the scientific and practical problem of increasing the reliability of methods of multi-parameter quality control of the functioning of information and measurement systems of various purposes by determining and taking into account the factor influence on the result of measurements of control indicators through the use of test methods, methods of statistical analysis, and the apparatus of fuzzy logic to ensure the highest possible reliability of the obtained results and, as a result, support of the norms established in the standards for the initial parameters of the final product.Документ Розвиток методів контролю технічного стану електричної ізоляції за параметрами ємності та тангенса кута діелектричних втрат(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Костюков, Іван ОлександровичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут». Дисертаційна робота присвячена вирішенню проблеми розвитку методів контролю технічного стану електричної ізоляції за параметрами її електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат шляхом зменшення впливу паразитних параметрів досліджуваного шару ізоляції на результати вимірювання, оцінювання величини паразитних параметрів ємнісних об’єктів контролю а також підвищення завадостійкості вимірювань за рахунок вдосконалення алгоритмів обробки кривих струму та напруги на досліджуваному об’єкті контролю. Науково-технічна проблема контролю технічного стану електричної ізоляції електроенергетичного обладнання, в першу чергу, зумовлена необхідністю забезпечення надійного енергопостачання об’єктів інфраструктури та побутових споживачів. Внаслідок багатьох техніко-економічних факторів, що ускладнюють його заміну на аналогічне устаткування із не зістареною під дією експлуатаційних факторів ізоляцією, значна кількість обладнання використовується в енергосистемах вже після закінчення нормативного строку експлуатації. Так, згідно із відомими статистичними даними майже 45% кабельних мереж знаходяться в експлуатації більше 30 років. З точки зору інформативності щодо ступеню старіння ізоляції та, відповідно, актуальності свого подальшого розвитку, значний інтерес становлять класичні методи контролю за параметрами електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат (tgδ). Зазначена актуальність застосування зазначених параметрів ізоляції в задачах контролю її технічного стану зумовлена їх значним впливом на показники якості діелектриків, отримані шляхом використання інших, поширених на практиці, методів контролю. Так, електрична ємність визначається поляризаційними процесами в ізоляційному матеріалі і тому значною мірою впливає на діагностичні параметри, отримані із застосуванням таких абсорбційних методів контролю, як метод відновлюваної напруги, а також при визначенні якості діелектричних матеріалів шляхом застосування коефіцієнтів (абсорбції та індексу поляризації), що характеризують швидкість зміни струму через діелектрик при подачі на нього постійної напруги. Крім того, в багатьох випадках значення електричної ємності використовується в якості допоміжного параметру при розрахунку tgδ. В той же час, значення tgδ ізоляції є чутливим до рівня її часткових розрядів, ступеню зволоження та теплового старіння а також демонструє значну кореляцію із механічними властивостями діелектриків. Для багатьох поширених на практиці ємнісних об’єктів контролю визначення електричної ємності та tgδ суттєво ускладнені внаслідок небажаного впливу їх паразитних ємнісних та індуктивних параметрів на результати вимірювань, а також через недоліки існуючих алгоритмів цифрової обробки кривих струму та напруги, що застосовуються при розрахунку параметрів діелектрика. Вирішення викликаної цими недоліками проблеми розвитку методів контролю електричної ізоляції за параметрами електричної ємності та tgδ визначило напрямок дисертаційного дослідження. Робота виконана на кафедрі електроізоляційної та кабельної техніки НТУ «ХПІ». Здобувач брав участь в дослідженнях, проведених за науково-дослідними темами: «Дослідження ефективності технологічного контролю кабельно-провідникової продукції в умовах діючого виробництва з метою створення бази даних технологічного контролю і впровадження методів контролю для забезпечення гарантованого рівня бездефектності продукції», (ПАО «Завод «Південкабель», м. Харків), та «Проведення аналітичних досліджень та розроблення науково-обґрунтованих пропозицій щодо визначення суттєвих експлуатаційних характеристик, порогових рівнів, класів та системи або систем оцінки та перевірки стабільності показників будівельної продукції категорії «Силові, контрольні кабелі і кабелі зв’язку» на замовлення Міністерства розвитку громад та територій України відповідно до наказу Мінрегіону від 09.04.2021 № 89, в яких здобувач був виконавцем окремих етапів, а також при виконанні теми №: 0122U001297 «Застосування фізичного та математичного моделювання для підвищення стійкості авіаційно-космічної техніки та об'єктів критичної інфраструктури до дії потужних електромагнітних впливів». Метою дисертаційної роботи є теоретичний розвиток та вдосконалення методів контролю технічного стану ізоляції ємнісних об’єктів контролю за параметрами їх електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат. Для досягнення мети в роботі поставлені задачі: – на основі аналізу сучасного етапу розвитку приладів та методів контролю технічного стану ізоляції електроенергетичного та телекомунікаційного обладнання сформулювати основні проблеми, що ускладнюють практичне застосування існуючих методів контролю та визначити напрямки їх вирішення; – розробити метод визначення паразитної індуктивності ємнісного об’єкта контролю шляхом аналізу кривих струму для випадку аперіодичного режиму розряду об’єкта контролю; – розробити завадостійку модифікацію кореляційного методу вимірювання фазового зсуву для визначення тангенса кута діелектричних втрат об’єктів контролю із зниженим рівнем добротності; – визначити складові дисперсії результатів вимірювання індивідуальних значень часткових ємностей шарів ізоляції в трьохжильних силових кабелях у спільній металевій оболонці із застосуванням сукупних вимірювань; – розробити метод визначення електричної ємності та tgδ шарів міжфазної ізоляції трьохжильних силових кабелів у спільній металевій оболонці на основі резистивно-ємнісного заземлення досліджуваного шару діелектрика; – адаптувати розроблений для трьохжильних силових кабелів в спільній металевій оболонці та заснований на резистивно-ємнісному заземленні досліджуваного шару ізоляції метод визначення електричної ємності та tgδ для ємнісних об’єктів контролю із трьома електродами; – проаналізувати характерні особливості часових рядів результатів вимірювання електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат ізоляції кабелів на основі витих пар. Об'єктом дослідження є процес взаємодії діелектриків із електричним полем, що дозволяє сформувати чутливі до ступеня старіння діелектрика діагностичні параметри. Предмет дослідження – методи та прилади контролю технічного стану електричної ізоляції на основі значень її електричної ємності та tgδ. При розробці модифікованого кореляційного методу вимірювання фазового зсуву використовувались статистичні методи та методи теорії цифрової обробки сигналів. Визначення параметрів ізоляції досліджуваних зразків силових та телекомунікаційних кабелів проводилось із застосуванням результатів теорії фізики діелектриків, спектральних методів та методів регресійного аналізу. Розробка методу визначення паразитної індуктивності ємнісних об’єктів контролю для випадку їх аперіодичного режиму розряду проведена на основі використання теорії лінійних електричних ланцюгів. Наукова новизна отриманих результатів: – вперше обґрунтовано підвищення завадостійкості визначення фазового зсуву між гармонічними сигналами струму та напруги із компонентами сторонніх шумів шляхом визначення декількох скалярних добутків досліджуваних сигналів із допоміжними тригонометричними функціями, значення частот яких дозволяють відокремлювати внесок ортогональних тригонометричних складових в розраховані частотні залежності скалярного добутку, завдяки чому розроблена модифікація кореляційного методу визначення фазового зсуву, що дає можливість збільшити завадостійкість визначення тангенсу кута діелектричних втрат для ємнісних об’єктів контролю із зниженим рівнем добротності; – вперше визначена умова відсутності фазового зсуву між кривими падіння напруги на резистивно заземленому досліджуваному шарі фазної ізоляції трьохжильного силового кабелю та заземлюючому резисторі, що дає можливість розробити метод визначення часткових ємностей та відповідних значень тангенса кута діелектричних втрат шарів фазної ізоляції; – вперше визначена умова ортогональності напруги на ємності та паразитній індуктивності ємнісного об’єкта контролю для його аперіодичного режиму розряду, що дало можливість розробити метод вимірювання паразитної індуктивності ємнісних об’єктів контролю; – дістали подальшого розвитку способи обстеження трьохжильних силових кабелів при визначенні індивідуальних параметрів їх ізоляції на основі застосування сукупних вимірювань. Розроблена схема обстеження передбачає резистивно-ємнісне заземлення досліджуваного шару ізоляції та дозволяє спростити процедуру контролю у порівнянні із традиційними для кабельної техніки схемами обстеження, що використовуються при визначенні параметрів ізоляції шляхом застосування сукупних вимірювань; – дістали подальшого розвитку засновані на використанні сукупних вимірювань методи визначення tgδ ізоляції трьохжильних силових кабелів, завдяки аналітичному вирішенню сформованої на основі теорії неоднорідних діелектриків системи лінійних алгебраїчних рівнянь відносно невідомих значень tgδ, що дало можливість спростити процедуру контролю параметрів ізоляції за рахунок відмови від застосування чисельних методів. Практичне значення отриманих результатів для електроізоляційної та кабельної техніки полягає в розробці модифікованого кореляційного методу вимірювання фазового зсуву, застосування якого дає можливість збільшити завадостійкість визначення tgδ для об’єктів контролю з незначним рівнем добротності. Розробці методу визначення індивідуальних параметрів ізоляції трьохжильних силових кабелів без застосування сукупних вимірювань та адаптації розробленого методу для ємнісних об’єктів контролю із 3 електродами. Формулюванні особливостей числових рядів результатів вимірювання електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат. Основні результати роботи впроваджені: – ТОВ «ООВ «Сертатом» (м. Харків) – для визначення індивідуальних значень електричної ємності та tgδ ізоляції трьохжильних силових кабелів в спільній металевій оболонці; – ДП «Завод «Електроважмаш» (м. Харків) та Українська асоціація «Укрелектрокабель» (м. Київ) – для аналізу часових рядів результатів вимірювання електричної ємності та tgδ; – технічному комітеті № 131 «Електроізоляційна та кабельна техніка» Держспоживстандарту України (м. Харків) – при гармонізації Європейських та Українських стандартів в галузі електроізоляційної та кабельної техніки. Положення і результати, що виносяться на захист дисертаційної роботи, отримані здобувачем особисто. Серед них: розробка модифікованого кореляційного методу вимірювання фазового зсуву для збільшення завадостійкості визначення tgδ об’єктів контролю з низьким рівнем добротності, розробка методу вимірювання паразитної індуктивності ємнісного об’єкту контролю при його аперіодичному розряді, аналіз отриманих результатів, розробка методу вимірювання параметрів фазної ізоляції трьохжильних силових кабелів з паперовою ізоляцією, моделювання впливу паразитної індуктивності ємнісних об’єктів контролю на результати вимірювання їх електричної ємності та tgδ. Основні наукові результати та положення дисертаційної роботи доповідались, обговорювались та були схвалені на: 26, 27 та 28 Міжнародних конференціях «Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я» (м. Харків, 2018 р, 2019 р, 2021 р), III Міжнародній науково-технічній конференції «Енергоефективність та енергетична безпека електроенергетичних систем» (м. Харків, 2019 р.), Міжнародному симпозіумі «Проблеми електроенергетики, електротехніки та електромеханіки» (SIEMA) (м. Харків, 2020 р, 2022 р.), та на Міжнародних конференціях, збірники статей яких проіндексовані в наукометричній базі SCOPUS: Second International Conference on Emerging Electrical Energy, Electronics and Computing Technologies (ICERCT), (м. Малакка, 2020 р.), Second International Conference on Robotics, Electrical and Signal Processing Techniques (ICREST), (м. Дака, 2021 р.), I та III міжнародних конференціях IEEE KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek) (м. Харків, 2020 р, 2022 р.). Основний зміст дисертації відображено у 34 наукових публікаціях, з них: 26 статей у періодичних виданнях, з яких 10 у виданнях, внесених до наукометричних баз SCOPUS та/або Web of Science, 16 статей в наукових фахових виданнях України, 8 в збірниках матеріалів конференцій, з яких 4 індексовані в наукометричній базі SCOPUS. В першому розділі дисертаційної роботи на основі критичного аналізу фізичних моделей старіння електричної ізоляції під дією несприятливих експлуатаційних факторів, найбільш розповсюджених методів контролю ізоляції силових кабелів шляхом застосування імпульсів високої напруги, вимірювання рівня часткових розрядів, абсорбційних методів контролю, вимірювання її електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат а також методів теорії цифрової обробки сигналів, що використовуються як при аналізі числових рядів отриманих результатів вимірювання так і безпосередньо у системах вимірювання ємності та тангенса кута діелектричних втрат сформульовано основні задачі дисертаційного дослідження. В другому розділі на прикладі аналізу числових рядів результатів вимірювання електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат показано, що фізична інтерпретація отриманих результатів шляхом аналізу діаграм С-tgδ може бути ускладнена внаслідок одночасного зростання цих параметрів, що суперечить функціональній залежності між цими параметрами електричної ізоляції для випадку застосування паралельної схеми заміщення досліджуваного ємнісного об’єкта контролю з діелектричними втратами. Враховуючи зазначені складнощі, з метою ідентифікації наявності прихованих коливань в отриманих результатах запропоновано проводити спектральний аналіз числових рядів. На прикладі гармонічних сигналів розроблено методику інтервального оцінювання частоти таких прихованих коливань, що дозволяє зменшити вплив розтікання спектру сигналів на точність оцінювання їх параметрів. Проведено спектральний аналіз числових рядів результатів вимірювання тангенса кута діелектричних втрат та показано, що застосування запропонованого вибору частот допоміжних тригонометричних функцій за якими розкладається досліджуваний сигнал дозволяє вдвічі збільшити роздільну здатність перетворення Фур’є без традиційного доповнення досліджуваної числової послідовності нулями та вдвічі зменшити кількість необхідних розрахунків, за рахунок відмови від розкладання досліджуваного сигналу із застосуванням повної системи ортогональних тригонометричних функцій. В третьому розділі з метою підвищення завадостійкості вимірювань тангенса кута діелектричних втрат для об’єктів контролю із відносно невисоким рівнем добротності розроблено модифікацію кореляційного методу вимірювання фазового зсуву. Розроблена модифікація передбачає необхідність розрахунків декількох скалярних добутків досліджуваних сигналів струму та напруги із допоміжними тригонометричними функціями. Результати порівняльного аналізу завадостійкості показали, що у порівнянні із традиційним кореляційним методом вимірювання фазового зсуву розроблена модифікація дозволила підвищити завадостійкість вимірювання фазового зсуву між кривими струму та напруги та, відповідно, тангенса кута діелектричних втрат в діапазоні значень від 0º до 45º. В той же час, в діапазоні від 45º до 90º класичний кореляційний метод вимірювання фазового зсуву має вищий рівень завадостійкості у порівнянні із його розробленою модифікацією. В четвертому розділі проаналізовано особливості вимірювання індивідуальних параметрів діелектриків кожного з шарів ізоляції в трьохжильних силових кабелях з паперовою імпрегнованою ізоляцією. Показана можливість існування кореляційних зв’язків між результатами вимірювань сукупних значень електричної ємності, що були отримані при застосуванні різних способів з’єднання електропровідних елементів конструкції силового кабелю. Проаналізовано складові дисперсії результатів вимірювання часткових ємностей ізоляції трьохжильних силових кабелів та отримано формули для прямого розрахунку значень тангенса кута діелектричних втрат із застосуванням сукупних вимірювань. В п’ятому розділі на основі модифікованих схем з’єднання електропровідних елементів конструкції трьохжильного силового кабелю в спільній металевій оболонці, розроблено методику вимірювання електричної ємності та tgδ кожного з шарів його ізоляції. Розроблена модифікація існуючих схем обстеження передбачає резистивне, або резистивно-ємнісне заземлення досліджуваного шару ізоляції. Визначення невідомих параметрів ізоляції проводиться шляхом регулювання величини електричного опору, через який заземлено досліджуваний ізоляційних прошарок, до моменту нульового фазового зсуву між напругою на досліджуваному шарі ізоляції та на його заземлюючих елементах із наступним вимірюванням цих напруг. В шостому розділі для вимірювальної схеми на основі перетворювача напруги в струм та фазового детектору проведено теоретичний аналіз впливу паразитної індуктивності досліджуваного ємнісного об’єкта контролю на результати вимірювання електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат, наведено рішення щодо розробки схем для зсуву фази гармонічних сигналів на 90º, розроблено методику оцінювання паразитної індуктивності ємнісних об’єктів контролю для їх аперіодичного режиму розряду.Документ Розвиток методів контролю технічного стану електричної ізоляції за параметрами ємності та тангенса кута діелектричних втрат(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Костюков, Іван ОлександровичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин. – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2023 р. Дисертацію присвячено розвитку методів контролю технічного стану електричної ізоляції електроенергетичного та телекомунікаційного обладнання за параметрами її електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат за рахунок зменшення впливу паразитних індуктивних та ємнісних параметрів досліджуваних об’єктів контролю на результати вимірювання а також вдосконалення алгоритмів обробки кривих струму та напруги і числових рядів результатів вимірювань. В дисертації розроблено модифікацію кореляційного методу вимірювання фазового зсуву, що дозволило збільшити завадостійкість розрахунку тангенса кута діелектричних втрат в діапазоні значень від 0º до 45º. Розроблено метод вимірювання електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат трьох-жильних силових кабелів з паперовою імпрегнованою ізоляцією. Розроблений метод передбачає резистивно-ємнісне заземлення досліджуваного фазного шару ізоляції із наступним вимірюванням напруги на досліджуваному шарі ізоляції та між однією із жил кабелю та його заземленою оболонкою для формування системи рівнянь, вирішення якої дозволяє визначити невідомі значення ємності та тангенса кута діелектричних втрат. Також в дисертації проаналізовано специфічні особливості часових рядів та амплітудних спектрів результатів вимірювання електричної ємності та тангенса кута діелектричних втрат екранованих та неекранованих телекомунікаційних кабелів на основі витих пар, наведено схемотехнічні рішення по побудові елементів вимірювачів електричної ємності, побудованих на застосуванні перетворювачів напруги в струм, розроблено метод вимірювання паразитної індуктивності ємнісних об’єктів контролю для їх аперіодичного режиму розряду.Документ Розвиток методів та засобів для електромагнітно-акустичного контролю стрижневих, трубчастих та листових металовиробів(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Плєснецов, Сергій ЮрійовичДисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – Прилади і методи контролю та визначення складу речовин (15 – автоматизація та приладобудування). – НТУ "ХПІ", Харків, 2021. Дисертаційну роботу спрямовано на вирішення важливої науково-практичної проблеми зі створення основних положень збудження та прийому імпульсів ультразвукових поверхневих та нормальних хвиль в листах, трубах та стрижнях, виготовлених переважно з феромагнітного матеріалу, методів та засобів для контролю та діагностики таких металовиробів. В роботі проведено аналіз існуючих теоретичних, модельних та експериментальних досліджень, методів та засобів безконтактного електромагнітно-акустичного контролю металовиробів, визначені їх недоліки та можливості застосування для подальшого удосконалення методів та засобів контролю та діагностики. Визначено перспективність розробки та використання нових типів електромагнітно-акустичних перетворювачів (ЕМАП). Встановлено перспективність використання хвиль Релея, Лемба та хвиль нормального типу для дефектоскопії та діагностики. Підтверджено високу економічну ефективність використання електромагнітно-акустичних перетворювачів для контролю листів, труб та стрижнів, виготовлених переважно з феромагнітного матеріалу. Розроблено математичну модель електромагнітно-акустичного перетворення електромагнітної енергії в акустичну, переважно для феромагнітних металів, що містить пов'язані між собою хвильове рівняння, рівняння Максвелла і узагальнений закон Ома в диференціальній формі. У математичної моделі комплексно враховані характеристики електромагнітно-акустичного перетворювача, параметри збуджуваних сигналів і властивості досліджуваного матеріалу. На підставі встановлених зав'язків сформульовані концептуальні підходи щодо вирішення завдання конструювання ЕМА перетворювачів для збудження ультразвукових коливань. Визначено вихідні положення, необхідні і достатні для знаходження характеристик зсувів пружних коливань, збуджених способом електромагнітно-акустичного перетворення. Встановлено, що збільшення розмірів високочастотної котушки перетворювача призводить до звуження смуги збуджуваних частот, в якій відбувається ефективне перетворення електромагнітної енергії в енергію крутильних ультразвукових коливань. Проведено математичне моделювання прохідного електромагнітно-акустичного перетворювача для збудження крутильних недиспергуючих пружних коливань в трубчатоподобних феромагнітних виробах з урахуванням характеристик перетворювача, властивостей об'єкта досліджень і взаємного розташування ЕМАП і виробу, яким показана необхідність поетапного знаходження взаємопов'язаних електромагнітних полів в різних областях моделі ЕМАП з урахуванням всіх факторів, що впливають на конструкцію прохідного перетворювача. Знайдено рішення загального диференціального рівняння шляхом визначення значень електромагнітних полів в області між котушкою збудження перетворювача і трубчастим виробом. Визначена хвильова характеристика джерела змінного магнітного поля ЕМАП. Створено алгоритми перетворення сигналів, які реалізуються в процесі прийому та реєстрації ультразвукових хвиль в металах електромагнітним способом. Доведено теореми про наведений магнітний потік для металів неферомагнітної групи і феромагнетиків. На підставі цих теорем побудовані математичні моделі процесів реєстрації ультразвукових хвиль електромагнітним способом. Знайдено рішення диференційного рівняння вимушених крутильних коливань в електропровідному феромагнітному стрижні (трубці), попередньо намагніченому в окружному напрямку, у вигляді виразу для лінійної щільності зовнішніх моментів, що крутять. Отримано вираз для розрахунку амплітуд кутів поворотів поперечних перерізів у фронті розповсюджуючоїся бігучої недиспергуючої крутильної хвилі через абсолютну чутливість, коефіцієнт інтерференційних втрат і коефіцієнт втрат ефективності збудження крутильних хвиль, обумовлений вихровими струмами (скін-ефектом). Вираз враховує повний набір геометричних і фізико-механічних властивостей матеріалу полого феромагнітного стрижня, котушок і центрального провідника електричного струму, що дозволяє проектувати електромеханічні перетворювачі з урахуванням особливостей контрольованих трубчастих металовиробів. Визначено в явному вигляді вирази для розрахунку силових факторів, які виникають при електромагнітному збудженні ультразвукових хвиль в струмопровідному аксіально намагніченому скін-шарі феромагнетика. Виконано оцінку збільшення механічної жорсткості попередньо намагніченого феромагнетика за рахунок сумісної дії сил пружності і сил магнітної взаємодії між полюсами доменів в деформуємому тонкому шарі феромагнетика (ΔE-ефект). Визначено межі, при яких ΔE-ефект можна не враховувати у практичних розрахунках. На підставі оцінок числових значень ΔE-ефекту запропоновано метод послідовних наближень для розв'язання граничної задачі про перетворення високочастотного електромагнітного поля у поле пружних хвиль в мікротовщинних шарах металів феромагнітної групи. В роботі показано, що основний внесок у фізичне перетворення електромагнітного поля в ультразвукові коливання вносять пондеромоторні сили електромагнітного поля і сили Джоуля, які відповідають пружним деформаціям, що виникають в результаті прояву прямого магнітострикційного ефекту в мікротовщинному шарі феромагнітного металу. Встановлено, що при оптимальному виборі величини постійного поля підмагнічування, сили Джоуля чотирикратно перевершують пондеромоторні сили, створювані електромагнітним полем. Зворотно-пропорційний зв'язок частоти електромагнітного поля і товщини скін-шару феромагнітного матеріалу, в якому відбувається перетворення, дозволяє здійснювати пошаровий контроль і визначати фізичні і пружні властивості матеріалу шляхом зміни частоти струму, що живить сенсор. Радіально орієнтовані сили Джоуля в аксіально намагніченому тонкому поверхневому шарі феромагнетика на частотах порядку 1 МГц практично в 30 разів перевершують аксіально орієнтовані сили, тобто є домінуючими при формуванні ультразвукових високочастотних коливань. При виконанні роботи розроблено та створено макети генератора та підсилювача на базі силових IGBT транзисторів для живлення високочастотних електромеханічних перетворювачів, призначених для використання у складі вимірювальної, контрольної та діагностичної техніки та запропоновано варіант практичної реалізації генератора потужних радіоімпульсів струму на базі силових IGBT транзисторів типу IRG4PC50F, який забезпечує в котушці індуктивності високочастотного електромеханічного перетворювача струми величиною до 450 A в діапазоні частот 1...3 МГц при тривалості пакетного імпульсу живлення 1...20 періодів заповнення використовуваної частоти. Показано, що генератор потужних радіоімпульсів струму (ГПРС) забезпечує істотне збільшення струму в високочастотній котушці при живленні резонансного ЕМА перетворювача, підвищуючи таким чином коефіцієнт перетворення електромагнітної енергії в високочастотну механічну в електропровідних, неелектропровідних і феромагнітних виробах і матеріалах. Обґрунтовано концепцію побудови підсилювачів потужних високочастотних імпульсів з регульованими параметрами, призначених для застосування в системах безконтактного ультразвукового контролю і в установках, що використовують метод магнітного ядерного резонансу або електронного парамагнітного резонансу при дослідженнях організму людини, а також в вимірювальних приладах. Розроблено схемотехнічне рішення зі створення потужного високочастотного підсилювача зондуючого сигналу для живлення ЕМА перетворювача, який забезпечує на генеруючої обмотці датчика достатню напругу для збудження акустичного сигналу в умовах великого зазору між ЕМАП і об'єктом контролю. В ході виконання дисертаційної роботи розроблено фізичні основи створення безконтактних ультразвукових частотних сенсорів, що перетворюють високочастотне регульоване електромагнітне поле в поле пружних коливань в обсязі мікротовщинного шару електропровідного феромагнетика, що динамічно деформується з урахуванням зв'язаності пружних і магнітних полів, які дозволяють безконтактно контролювати і визначати фізичні властивості наноструктурованих і плівкових матеріалів за допомогою ультразвукових хвиль. Визначена роль внутрішнього магнітного поля в процесі формування рівня електричного сигналу на виході перетворювача-приймача ультразвукових хвиль. Показано, що ігнорування факту існування внутрішнього магнітного поля може привести до підвищеної (в десятки разів) оцінки рівня вихідного електричного сигналу перетворювача електромагнітного типу. Сукупність викладених принципів і методів становить теоретичну основу розрахунку перетворювачів електромагнітного типу в режимах збудження і прийому ультразвукових хвиль у феромагнітних металах і в металах неферомагнітної групи. Експериментально встановлена можливість виявлення дефектів глибиною 0,1…1,2 мм на поверхні та під поверхнею виробу імпульсами ультразвукових поверхневих хвиль, які збуджуються і приймаються електромагнітно-акустичними перетворювачами на відстанях до 8 м, залежно від стану поверхні виробу з плоскою або криволінійною поверхнею, при частотах ультразвукових коливань у діапазоні 0,2…1 МГц, тривалості зондуючих пакетних імпульсів 6-8 періодів частоти заповнення високочастотним струмом силою до 200 А в котушці ЕМАП. Показано, що дефекти під поверхнею металовиробів можуть виявлятися на глибинах залягання більших, ніж величина довжини хвилі Релея. Розроблено 12 методів ультразвукового контролю та 14 конструкцій електромагнітно-акустичних перетворювачів, які дозволяють проводити виявлення дефектів листів, труб та стрижнів невеликого діаметру. Розроблено фізико-математичну модель прохідного електромагнітно-акустичного перетворювача для збудження (прийому) крутильних недиспергуючих пружних коливань. Основу моделі складають дві зустрічно включених по магнітному полю котушки і джерело магнітного поля у вигляді провідника зі струмом. У розробленій моделі враховано вплив геометричних розмірів котушок перетворювача і виробу, їх взаємного розташування, а також фізико-механічних характеристик матеріалу досліджуваного металовиробу. Перетворювачі такого типу призначені для контролю якості, діагностики, вимірювання фізико-механічних характеристик матеріалу трубчастих металовиробів.Документ Розвиток методів та засобів для електромагнітно-акустичного контролю стрижневих, трубчастих та листових металовиробів(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Плєснецов, Сергій ЮрійовичДисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. В дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-практичну проблему – розвиток теоретичних положень та засобів для збудження високочастотних ультразвукових імпульсів електромагнітно-акустичними перетворювачами у трубчастих, стрижневих та листових металовиробах з підвищеною чутливістю за рахунок збільшення відношення амплітуд корисного сигналу до завад. У дисертаційній роботі вперше розроблена математична модель електромагнітно-акустичного перетворювача, призначеного для збудження ультразвукових коливань в електропровідному виробі, за допомогою якої вирішені дві задачі електростатики та динамічної теорії пружності для кусково-однорідного середовища. Експериментально побудовані діаграми спрямованості акустичного поля та визначені основні фактори, які впливають на інтенсивність ультразвукових імпульсів, що збуджуються електромагнітно-акустичним перетворювачем. Розроблені нові конструкції електромагнітно-акустичних перетворювачів, призначених для контролю металовиробів різними типами ультразвукових хвиль. Застосування даних перетворювачів дозволить значно підвищити відношення сигнал/завада. Експериментально підтверджена можливість збудження поверхневих хвиль Релея та Лемба, а також крутильних хвиль перетворювачами з інтенсивністю ультразвукового поля, достатньою для проведення вимірювань, контролю та діагностики. Практичне значення роботи полягає в наступному: реалізовано теоретичну модель, яка дозволяє виконувати розрахунки параметрів і характеристик електромагнітно-акустичних перетворювачів суміщеного та роздільного типу; розроблено, виконано та випробувано стендові макети електромагнітно-акустичних перетворювачів, що практично реалізують теоретичну модель та доводять її ефективність; розроблено електромагнітно-акустичні перетворювачі для контролю різних зразків в межах сортаментів стрижневих, трубчастих та листових металовиробів для різних типів та етапів виробництва та експлуатації крутильними хвилями, хвилями Релея та Лемба на поверхні та всередині об'єктів контролю; створено методики контролю з використанням розроблених конфігурацій перетворювачів та практичні рекомендації з їх використання; розроблено та впроваджено технічні рішення, спрямовані на підвищення якості та ефективності використання електромагнітно-акустичного методу в виробництві. Розроблено нові технічні рішення, що спрямовані на підвищення чутливості ультразвукових електромагнітно-акустичних приладів і пристроїв на основі збільшення відношення амплітуд корисного сигналу до завад у виробах з електропровідних матеріалів. Новизна технічних рішень захищена патентом України на винахід та 25 патентами України на корисну модель.Документ Метод контролю струмових перевантажень в силових кабелях середньої напруги(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Гонтар, Юлія ГригорівнаДисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 "Прилади і методи контролю та визначення складу речовин" – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут". Дисертаційна робота присвячена розробці методу контролю струмових перевантажень в силових кабелях середньої напруги з ізоляцією із зшитого поліетилену. Виконано аналітичний огляд технічних переваг силових кабелів з ізоляцією із зшитого поліетилену; визначено, що при модернізації існуючих та проектуванні нових розподільчих мереж найважливішою є інформація про величину гранично допустимих струмів навантаження, що визначається саме за температурою струмопровідних жил кабелів. При значному перевищенні рівня нагрівання провідників (вище допустимого) струм навантаження повинен бути скоригований, що важливо для ефективного функціонування лінії в складі енергосистеми. Встановлено, що тривало допустимий струм в нормованих умовах експлуатації є головною технічною характеристикою пропускної спроможності кабелю. Використання стандартних методів визначення пропускної спроможності вимагає урахування особливостей конструкції кабелю, які притаманні саме кабелям середньої напруги зі зшитою поліетиленовою ізоляцією. В результаті проведених досліджень запропоновано модель, яка дозволяє визначати параметри тривалого струмового навантаження ЗПЕ-кабелю за рахунок введення в систему рівнянь аналітичного виразу для визначення коефіцієнту розсіяння тепла. Це дозволило врахувати особливості конструкції кабелю. Визначені та обґрунтовані напрямки дисертаційного дослідження. Теоретично і експериментально підтверджено метод контролю допустимих струмових перевантажень шляхом визначення постійної нагрівання кабелю струмом перевантаження. Проведено теоретичні та експериментальні дослідження визначення динаміки нагрівання кабелів АПвЕгаПу – 1×70 – 35 кВ та ААШв 1х 75 – 10 кВ за різних температур оточуючого середовища. Проведений розрахунок динаміки нагрівання даних кабелів за допомогою двохпараметричної експоненційної моделі (параметр масштабу τmax = Θгр – Θос і параметр форми експоненти β), враховано умову збереження теплового балансу. Для даних типів конструкцій кабелів визначена стала нагрівання β. Встановлено, що за можливості, слід віддати перевагу експериментальному визначенню динаміки нагрівання конкретного кабелю в визначених умовах. За допомогою статистичної моделі визначено точність експериментальної оцінки. Проведено аналіз результатів розрахунку сталої нагріву жили, визначеної за різними моделями для кабелю АПвЕгаПу–1×70 – 35 кВ. Визначено, що порівняння орієнтовно розрахованих оцінок сталої нагрівання двох типів кабелів середньої напруги з результатами оцінювання відповідних значень як параметрів лінійної функції за результатами вимірювання динаміки нагрівання жил цих кабелів свідчить про те, що орієнтовний розрахунок сталої нагрівання кабелів середньої напруги відображає особливості їх конструкції, не вимагає тривалого експерименту і дозволяє тим самим оперативно і адекватно оцінити вплив конструкції кабелю на динаміку його нагрівання, використовуючи двохпараметричну експоненту. Проаналізовано вплив технологічних особливостей виготовлення ЗПЕ-кабелів. Проведено аналіз впливу структури напівпровідного екрану на розподіл електричного поля в ізоляції ЗПЕ-кабелю на напругу 35 кВ. Встановлено, що за умови застосування в матеріалі екрану пічної сажі замість ацетиленової на границі екран-ізоляція можуть виникати місця локального посилення електричного поля. Розроблено програми обчислень для методу подвійного конформного перетворення з метою визначення розподілу напруженості електричного поля з урахуванням того, що діелектрик складається з шарів з різними електрофізичними параметрами. Отримано аналітичне рішення для знаходження розподілу потенціалу в замкненій області. Проаналізовано процес дегазації ЗПЕ-кабелю, на основі протоколів термогравиметричного аналізу дані практичні рекомендації щодо строків дегазації. Встановлено, що у разі використання в матеріалу екрану ацетиленової сажу і забезпечено повну дегазацію кабелю, то максимальна напруженість електричного поля в ізоляції кабелю на напругу 35 кВ не перевищує 4…4,5 кВ/мм. В іншому разі локальне значення максимальної напруженості електричного поля в ізоляції кабелю на напругу 35 кВ може досягати кількох десятків кВ/мм, що є причиною виникнення часткових розрядів в ізоляції. Розроблено методу оцінки та контролю струмових перевантажень в ЗПЕ-кабелях середньої напруги. Встановлено, що необхідною умовою визначення допустимого струмового навантаження є визначення кривих перевантажувальної спроможності у вигляді залежностей кратності струму перевантаження Іп до гранично допустимого струму Ідоп в стаціонарному режимі роботи кабелю від часу перевантаження. Такі залежності дозволяють розробляти нормативи для конкретних кабельних ліній, оскільки відповідні кратності залежать від певних умов прокладання та експлуатації. За умови, що режим навантаження є допустимим, тобто поточний перегрів не перевищує максимально допустимий, визначено струм та час допустимого перевантаження. Проведено розрахунок коефіцієнту допустимого перевантаження від часу перевантаження. Встановлено, що визначення коефіцієнту допустимого перевантаження k дозволяє представити перевантажувальну здатність конкретного кабелю компактно у вигляді сімейства кривих допустимих перевантажень, при цьому необхідною є лише інформація про сталу нагрівання β. За результатами дослідження знайдено діапазон можливих режимів тривалого струмового навантаження для конкретної конструкції кабелю, визначено часові та температурні межі при заданому коефіцієнті перевантаження. Запропоновано представлену систему контролю допустимого струмового перевантаження ЗПЕ-кабелів інтегрувати в існуючу систему контрольних випробувань на підприємстві. Дані практичні рекомендації щодо впровадження запропонованого методу в систему існуючих контрольних випробувань на кабельних підприємствах. Відзначено, що доцільно використовувати запропонований метод контролю як неруйнівну діагностику силових кабелів. Результати розробок захищені патентом України на корисну модель. Розроблений метод контролю струмових перевантажень в силових кабелях середньої напруги впроваджено на кабельному заводі ТОВ "ЄВРОПАН" та в навчальному процесі кафедри електроізоляційної і кабельної техніки НТУ "ХПІ" при підготовці бакалаврів та магістрів за спеціальністю 141 – "Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка", а саме в курсах "Основи кабельної техніки", "Розрахунок і конструювання силових кабелів і проводів", "Техніка випробувань електроізоляційних, кабельних та оптоволоконних систем".Документ Метод контролю струмових перевантажень в силових кабелях середньої напруги(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Гонтар, Юлія ГригорівнаДисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021 р. Дисертаційна робота присвячена розробці методу контролю струмових перевантажень в силових кабелях середньої напруги з ізоляцією із зшитого поліетилену. Запропоновано модель, яка дозволяє визначати параметри стаціонарного теплового режиму конкретного кабелю за будь-якого струму навантаження. Вдосконалено математичну модель для визначення параметрів тривалого струмового навантаження ЗПЕ-кабелю за рахунок введення в систему рівнянь аналітичного виразу для визначення коефіцієнту розсіяння тепла, що дозволило врахувати особливості конструкції конкретного кабелю. Проаналізовано діапазон експлуатаційних режимів, в яких необхідно оцінювати перевантажувальну здатність кабелів зі ЗПЕ-ізоляцією. Проведено теоретичні та експериментальні дослідження визначення динаміки нагрівання кабелю АПвЕгаПу – 1×70 – 35 кВ в умовах реального виробництва. Проаналізовано вплив технологічних особливостей виготовлення ЗПЕ-кабелів. Встановлено, що за умови застосування в напівпровідних екранах пічної сажі замість ацетиленової на границі екран-ізоляція можуть виникати місця локального посилення електричного поля. Проаналізовано процес дегазації ЗПЕ-кабелю, на основі протоколів термогравиметричного аналізу дані практичні рекомендації щодо строків дегазації. За умови, що режим навантаження є допустимим, тобто поточний перегрів не перевищує максимально допустимий, визначено струм та час допустимого перевантаження. Встановлено діапазон можливих режимів тривалого струмового навантаження для конкретної конструкції кабелю, визначено часові та температурні межі при заданому коефіцієнті перевантаження. Дані практичні рекомендації щодо впровадження запропонованого методу в систему існуючих контрольних випробувань на кабельних підприємствах. Відзначено, що доцільно використовувати запропонований метод контролю як неруйнівну діагностику силових кабелів.Документ Ультразвуковий метод та засіб для виявлення внутрішніх дефектів залізничних осей(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Познякова, Маргарита ЄвгенівнаДисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 "Прилади і методи контролю та визначення складу речовин" – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут". Дисертація присвячена розробці нового методу та засобів для забезпечення ультразвукового імерсійного контролю з підвищеною чутливістю щодо виявлення внутрішніх дефектів мінімального розміру. Виконано аналітичний огляд та аналіз сучасних засобів і методів неруйнівного контролю та діагностики залізничних осей та заготовок до них. При цьому розглянуто вплив завад різного типу, технічний рівень приладів і установок для контролю залізничних осей, схемотехнічних рішень засобів їх живлення, прийому з виробів ультразвукових імпульсів, визначені відомі переваги, недоліки та можливості їх використання в дослідженнях і розробках. В результаті аналізу інформаційних джерел встановлено, що ультразвукові контактний та імерсійний методи мають свої переваги і недоліки при виявленні внутрішніх дефектів і оцінки структури сталі залізничних осей та заготовок для їх виготовлення. Технічні протиріччя для кожного з них диктують необхідність виконання досліджень вказаних методів з наступним їх вирішенням. У зв’язку з зростанням вимог до якості залізничних осей показана необхідність підвищення чутливості ультразвукової дефектоскопії за рахунок калібрування приладу контролю за моделями дефектів меншого розміру, наприклад плоскодонного відбивача діаметром 1 мм і більше замість 3 мм і більше. Для забезпечення високої чутливості щодо виявлення мінімальних дефектів необхідно розробити методи і засоби їх реалізації. Визначені та обґрунтовані напрямки дисертаційного дослідження. Визначено фізичну модель контролю виробу в імерсійному варіанті, за результатами аналізу якої визначено мінімальну товщину шару імерсійної рідини між суміщеним ПЕП і поверхнею. Ця товщина повинна бути більше просторової тривалості ультразвукового імпульсу рСt (де р С – швидкість розповсюдження поздовжніх хвиль в рідині; t – тривалість імпульсу в часі). Виконано розрахунок мінімальної товщини шару імерсійної рідини між суміщеним ПЕП і поверхнею заготовки залізничної осі, яка повинна складати не менше 46 мм при діаметрі залізничної осі 170 мм. Розроблено фізико-математичну модель контролю залізничної осі в імерсійному варіанті. Виконано теоретичний розрахунок ультразвукового тракту при контролі залізничної осі прямим перетворювачем при відбитті ультразвукових імпульсів від моделей дефектів у вигляді плоскодонних відбивачів різного діаметру з врахуванням загасання сигналів в імерсійній рідині та у матеріалі залізничної осі, а також втрат енергії імпульсів на границі розподілу рідина/метал за рахунок заломлення на криволінійній поверхні та трансформації. Встановлено однозначний зв’язок між розміром дефекту і частотою ультразвукових коливань, що говорить про необхідність встановлення раціонального значення частоти ультразвукових коливань при виявленні моделі дефекту заданого нормативно-технічною документацією на контроль. Вирішено питання раціонального вибору тривалості ультразвукових імпульсів живлення ПЕП, направленого на підвищення чутливості контролю. Доказано, що можливо суттєво підвищити чутливість контролю за рахунок збільшення тривалості ультразвукових імпульсів. Такий підхід обумовлений концентрацією енергії сигналів у вузькому діапазону спектру та широкими можливостями фільтрації корисного сигналу від завад. Доцільно вибирати тривалість імпульсів не менше 3…5 періодів частоти заповнення сигналу. Проте, використовувати імпульси значної тривалості не доцільно, оскільки при цьому збільшується «мертва» (не контрольована) при поверхнева зона металу. Теоретично і експериментально доказано, що чутливість ультразвукового імерсійного контролю залізничних осей можливо підвищити за рахунок живлення п’єзоелектричних перетворювачів пакетними імпульсами струму з заданими частотою заповнення і часовою тривалістю. Встановлено, що для забезпечення достатньої чутливості ультразвукового імерсійного контролю залізничних осей (виявлення внутрішніх дефектів з ефективним розміром, що відповідає плоскодонному відбивачу діаметром 1 мм) частоту УЗК необхідно встановлювати в інтервалі 4,2…4,5 МГц, а часову тривалість імпульсу – 6…8 періодів заповнення вказаної частоти. Розроблено метод ультразвукового імерсійного контролю, який включає розміщення контрольного зразка з моделлю дефекту заданого розміру в імерсійній рідині, опромінення одним п’єзоперетворювачем дефекту в зразку ультразвуковим імпульсом, що складається з кількох періодів високої частоти, прийом другим п’єзоперетворювачем імпульсу відбитого дефектом, корегування частоти і тривалості ультразвукового опромінюючого імпульсу до отримання максимальної амплітуди імпульсу, відбитого дефектом, і проведення дефектоскопії з встановленими параметрами опромінюючого імпульсу. Розроблені спеціальний генератор для живлення п’єзоелектричних перетворювачів та смуговий посилювач для прийнятих ультразвукових імпульсів. Розроблено модель акустичного імерсійного блока приладу, суть якої полягає в використанні двох прямих п’єзоперетворювачів, розташованих на відстані один від одного, яка визначається індикатрисою розсіювання дефекту, розмір якого заданий нормативно технічною документацією. Використання розробки дало можливість збільшити амплітуду імпульсу відлуння, відбитого від плоскодонного відбивача діаметром 1 мм, по відношенню до амплітуди завад до 15 дБ. Оцінено ефективність результатів виконаних досліджень в порівнянні з відомими розробками. Результати розробок захищені 2 патентами на корисну модель.Документ Ультразвуковий метод та засіб для виявлення внутрішніх дефектів залізничних осей(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Познякова, Маргарита ЄвгенівнаДисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. В дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-практичну задачу – розробку нового методу та засобів для забезпечення ультразвукового імерсійного контролю залізничних осей з підвищеною чутливістю щодо виявлення внутрішніх дефектів мінімального розміру за рахунок використання пакетів імпульсів заданої частоти та тривалості. Виконано аналітичний огляд та аналіз сучасних засобів і методів неруйнівного контролю та діагностики залізничних осей та їх заготовок. Розроблено фізико-математичну модель контролю та виконано теоретичний розрахунок ультразвукового тракту. Встановлено однозначний зв’язок між розміром дефекту і частотою ультразвукових коливань. Теоретично і експериментально доказано, що чутливість ультразвукового імерсійного контролю залізничних осей можливо підвищити за рахунок живлення ПЕП пакетними імпульсами струму з заданими частотою заповнення і часовою тривалістю. Встановлено, що для забезпечення достатньої чутливості ультразвукового імерсійного контролю залізничних осей (виявлення внутрішніх дефектів з ефективним розміром, що відповідає плоскодонному відбивачу діаметром 1 мм), частоту УЗК необхідно встановлювати в інтервалі 4,2…4,5 МГц, а часову тривалість імпульсу – 6…8 періодів заповнення вказаної частоти. Розроблено метод ультразвукового імерсійного контролю, який включає розміщення контрольного зразка з моделлю дефекту заданого розміру в імерсійній рідині, опромінення одним ПЕП дефекту в зразку ультразвуковим імпульсом, що складається з кількох періодів високої частоти, прийом другим ПЕП імпульсу, відбитого дефектом, корегування частоти і тривалості ультразвукового опромінюючого імпульсу до отримання максимальної амплітуди імпульсу, відбитого дефектом, і проведення дефектоскопії з встановленими параметрами опромінюючого імпульсу. Розроблені спеціальний генератор для живлення ПЕП, смуговий посилювач для прийнятих ультразвукових імпульсів. Розроблено модель акустичного імерсійного блока приладу, суть якої полягає в використанні двох прямих ПЕП, що розташовані на відстані один від одного, яка визначається індикатрисою розсіювання дефекту, розмір якої заданий нормативно технічною документацією.Документ Методи і засоби збудження ультразвукових імпульсів ємнісним методом(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Ноздрачова, Катерина ЛеонідівнаДисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовин – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут". Дисертація присвячена розробці нових теоретичних положень та засобів для збудження високочастотних ультразвукових імпульсів ємнісними перетворювачами (ЄП) з підвищеною чутливістю на основі збільшення відношення амплітуд корисного сигналу до завад у виробах з електропровідних матеріалів. Виконано аналітичний огляд та аналіз сучасних засобів і методів контролю та діагностики безконтактними ультразвуковими методами неруйнівного контролю. Встановлено, що в значній мірі виключити недоліки традиційного контактного та безконтактного ультразвукових методів збудження високочастотних ультразвукових імпульсів в електропровідних виробах можливо за рахунок застосування нових принципів створення приладів, адаптації сучасних методів виділення корисних імпульсів з шумів і перешкод, нетрадиційних схемотехнічних рішень. Таким чином можливе збільшення чутливості і підвищення ефективності роботи і області застосування ємнісних перетворювачів і приладів на їх основі. Встановлено доцільність використання відношення амплітуди корисного сигналу до амплітуди завад як характеристику чутливості. Створена математична модель перетворювача ємнісного типу в режимі збудження ультразвукових хвиль в металах. Побудовано замкнутий розв'язок задачі електростатики для кусково-однорідного середовища, в якій напівпростір заповнений металом з кінцевими значеннями електричної провідності і магнітної проникності. Отримано вираз для розрахунку поверхневої щільності статичного електричного заряду на поверхні металевого зразка. Отримано і досліджено вираз для розрахунку поверхневої щільності сил Кулона, які формуються перетворювачем ємнісного типу з дисковим електродом. Показано, що основними впливаючими факторами, що визначають поверхневу щільність сил Кулона, і, як наслідок, чутливість перетворювача, є: поляризуюча напруга; ємність перетворювача (діелектрична проникність); розмір перетворювача; величина зазору між перетворювачем і виробом; форма перетворювача. Отримано вираз для розрахунку амплітудного множника хвилі Релея, що радіально поширюється і збуджується перетворювачем ємнісного типу з дисковим електродом. Введено поняття хвильової характеристики перетворювача ємнісного типу з дисковим електродом. Наведено результати дослідження ефективності збудження радіально поширюючихся хвиль Релея в широкому частотному діапазоні. Показано, що збудження ультразвукових імпульсів з частотному спектрі в сотні кілогерц можливо перетворювачем, у якого радіус диска не перевищує п'яти міліметрів. На основі теоретичних здобутків виконано експериментальні дослідження, з яких встановлено: при діаметрах випромінюючого електрода ємнісного перетворювача 5 ... 9,5 мм щільність зарядів плавно спадає до кромки електрода і триває за його межами; при діаметрах випромінюючих електродів 20 ... 31 мм починає проявлятися більш рівномірна область в районі центру електрода, потім відбувається збільшення щільності зарядів при наближенні до краю електрода і потім плавне зменшення щільності, в тому числі і за межами проекції електрода, але в меншій мірі, ніж при малих відносних розмірах електродів; при товщині досліджених зразків в діапазоні 5 ... 25 мм тіньовим методом осциляцій прийнятих п’єзоелектричним перетворювачем імпульсів по амплітуді поперек збуджуючого імпульсного акустичного поля не спостерігалося; характер залежності амплітуд першої і другої напівхвилі прийнятого першого тіньового імпульсу при всіх досліджених діаметрах електродів ЄП і товщині зразків практично збігаються; враховуючи розподіл амплітуди акустичного поля сформованого ємнісним перетворювачем з діаметрами близько 20 мм і більше можна припустити, що заряди на поверхні електрода ємнісного перетворювача також розподіляються нерівномірно, концентруючись ближче до його краю, тому що це характерно для одиночного відокремленого електропровідного тонкого диска; при визначенні діаграми спрямованості ємнісного перетворювача необхідно враховувати реальну випромінюючу поверхню. Виходячи з теоретичних досліджень, пояснити ефект плавного зменшення амплітуди ультразвукового імпульсу і існування її за проекцією електрода ємнісного перетворювача на поверхні електропровідного виробу можна тим, що на «індуковані» на поверхні півпростору заряди діють дві основні сили. З одного боку – сила притягнення зарядами на поверхні металу електрода ємнісного перетворювача, а з протилежного – сили відштовхування однойменних зарядів на поверхні металу зразка. Очевидно, сили відштовхування і призводять до зміщення зарядів за проекцію електрода ємнісного перетворювача на півпростір металу, зменшуючи їх щільність під проекцією. З наведених даних також випливає, що при зменшенні діаметра ємнісного перетворювача, розподіл зарядів в поверхневому шарі металу стає більш нерівномірним (в відносних розмірах). При виконанні роботи розроблено і виготовлено блок формувача послідовності імпульсів, модуль гальванічної опторозв’язки, високовольтний напівміст і підвищуючий симетричний широкосмуговий трансформатор для використання в складі вимірювальної, контрольної та діагностичної техніки на основі ЄП. Запропоновано варіант практичної реалізації одно– та двополярних генераторів потужних радіоімпульсів напруги на базі мікроконтролера, силових MOSFET транзисторів і симетричного підвищуючого широкосмугового трансформатора, який забезпечує на ємнісний перетворювач високочастотні високовольтні імпульси позитивної та негативної полярності, амплітудою до 1 кВ, частотою до 5 МГц тривалістю три періоди частоти заповнення. Експериментально доведено можливість реалізувати випромінювання ультразвукових коливань ємнісним методом на практиці, із застосуванням сучасних досягнень в області електротехніки. Показано, що співвідношення донний сигнал / завада досягає 15,5 разів. Можливе подальше підвищення амплітуди збуджуючих імпульсів шляхом підвищення поляризуючої і імпульсної напруги. Визначено «мертву» зону, що для однополярної схеми включення складає 26,55 мм, двополярної – 17,7мм. Одне з досягнень даної розробки дає можливість розроблену схему зробити портативною у вигляді макету дефектоскопу. Розроблені конструкції ємнісних перетворювачів, що забезпечує більш високу ефективність перетворення електричної енергії в акустичні в порівнянні з відомими конструкціями: – способи ємнісного збудження і прийому імпульсів високочастотних поверхневих хвиль за допомогою різних варіацій верхніх електродів перетворювача (що розміщуються над поверхнею виробу) і відстаней між ними, які повинні бути кратними довжині хвилі; – роздільно – поєднані безконтактні ультразвукові ємнісні перетворювачі для контролю імпульсами поверхневих хвиль. Їх конструкція передбачає розміщення випромінюючого і приймаючого електродів перетворювача в одному корпусі, що значно підвищить ефективність контролю і зменшить завади прийнятих імпульсів за рахунок такого конструктивного рішення; – комбіновані ємнісні перетворювачі для контролю імпульсами ультразвукових хвиль Релея фізико–механічних властивостей металовиробів. Особливості конструкції такого типу ємнісних перетворювачів дають можливість мати високу захищеність від когерентних акустичних завад, що є важливим при визначенні таких параметрів матеріалів як твердість, коефіцієнт Пуасона і т.д.; – на основі безконтактного ємнісного ультразвукового методу запропоновано способи збудження ультразвукових об’ємних хвиль під кутом до поверхні електропровідного виробу, детально описані схеми і принцип їх реалізації. Визначено, що ефективність безконтактного збудження ультразвукових імпульсів в електропровідному виробі під кутом до поверхні забезпечується за рахунок складання з однаковою фазою амплітуд ультразвукових імпульсів в заданому напрямку; – спектральний спосіб ультразвукового ємнісного виявлення дефектів на донній поверхні електропровідного виробу. За допомогою якого можна підвищити ефективність виявлення пошкоджень донної поверхні ОК аналізуючи спотворення форми огинаючої спектру прийнятого ємнісним методом пакетного ультразвукового сигналу; – ємнісні ультразвукові прямі суміщені перетворювачі з регульованою діаграмою спрямованості. Розглянуто два типа перетворювачів, з фіксованим верхнім електродом, радіус викривлення якого визначено експериментально заздалегідь і з електродом, радіус якого можна регулювати в процесі контролю. Основною особливість реалізації цих способів є забезпечення рівномірності діаграми спрямованості. – ємнісний спосіб збудження і прийому пружних хвиль. При якому верхній електрод являється як збудником УЗК і приймачем, електричні імпульси на який подаються певної форми з певною періодичністю та амплітудою, що забезпечує підвищення чутливості розробленого способу. – ультразвуковий комп’ютеризований макет дефектоскопу ємнісного типу. Прилади, які не мають пристрою сполучення з комп'ютером, часто використовуються в дуже обмеженому полі дій. В основному це портативні моделі, що використовуються в польових умовах. У стаціонарному режимі введення інформації в комп'ютер часто є необхідною функцією. Переваги комп'ютеризації фізичних засобів отримання інформації: розширення функціональних можливостей приладів; поліпшення технічних характеристик приладів, зокрема підвищення достовірності результатів контролю; підвищення продуктивності контролю; можливість використання персоналу без глибокої спеціальної підготовки; подання інформації у вигляді, зручному для оператора. Тобто, застосування комп’ютерів та мікропроцесорної техніки при розробці дефектоскопів, що використовують ємнісний перетворювачів дозволить не тільки підвищити чутливість контролю, а й швидкодію обробки прийнятої інформації.