05.11.13 "Прилади і методи контролю та визначення складу речовин"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/17000
Переглянути
2 результатів
Результати пошуку
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.