05.11.13 "Прилади і методи контролю та визначення складу речовин"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/17000
Переглянути
5 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 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 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.Документ Методи і засоби збудження ультразвукових імпульсів ємнісним методом(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Ноздрачова, Катерина ЛеонідівнаДисертація 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, 2020. В дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-практичну проблему – розвиток теоретичних положень та засобів для збудження високочастотних ультразвукових імпульсів ємнісними перетворювачами у виробах з електропровідних матеріалів з підвищеною чутливістю за рахунок збільшення відношення амплітуд корисного сигналу до завад. У дисертаційній роботі вперше розроблена математична модель ємнісного 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 ЄП. Розроблені нові конструкції ємнісних перетворювачів призначених для контролю електропровідних виробів різними типами ультразвукових хвиль. Застосування даних перетворювачів дозволить значно підвищити відношення сигнал/завада. Розроблено високочастотні генератори збудження високовольтних пакетів одно- та двополярних імпульсів для живлення ємнісних перетворювачів. Експериментально підтверджена можливість збудження поздовжніх та поверхневих хвиль ємнісними перетворювачами з інтенсивністю ультразвукового поля, достатньою для проведення вимірювань, контролю та діагностики. Практичне значення роботи полягає в технічній можливості використання ємнісних перетворювачів для ультразвукового контролю, вимірювань та діагностики електропровідних виробів. Для реалізації ємнісного методу розроблено і виготовлено: макети пристроїв для досліджень характеристик ЄП різного призначення; генератори високовольтних імпульсів напруги для живлення ЄП; стійкий до дії шумів підсилювач ультразвукових сигналів; макет приладу для формування вхідних імпульсів генераторів напруги з можливістю регулювання частоти, тривалості, частоти зондування тощо; методику побудови вихідних каскадів генераторів живлення ЄП. Створено програмне забезпечення для роботи макетів пристроїв для досліджень характеристик ЄП різного призначення.Документ Електромагнітно-акустичні перетворювачі для ультразвукового контролю металовиробів(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Салам, БуссіДисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.11.13 «Прилади і методи контролю та визначення складу речовин» – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут». Дисертація присвячена розробці нових ультразвукових електромагнітно-акустичних перетворювачів з джерелом імпульсного поляризуючого магнітного поля, методів підвищення чутливості контролю та діагностики металовиробів з використанням перетворювачів такого типу. Виконано аналітичний огляд та аналіз сучасних засобів і методів контролю та діагностики електромагнітно-акустичним методом [1–3] феромагнітних і електропровідних або тільки електропровідних виробів в умовах дії постійних та імпульсних поляризуючих магнітних полів з урахуванням наявності когерентних завад різного типу, технічного рівня сучасних електромагнітно – акустичних перетворювачів, схемотехнічних рішень засобів їх живлення, прийому з виробів ультразвукових імпульсів та їх обробки, визначення відомих переваг, недоліків та можливостей використання в дослідженнях і розробках. Визначені та обґрунтовані напрямки дисертаційного дослідження: розробка електромагнітно-акустичного перетворювача у вигляді спрощеної одновиткової моделі [4] джерела магнітного поляризуючого поля з феромагнітним осердям та високочастотною котушкою, яка розміщена між осердям та металовиробом; шляхом моделювання [5] розподілення індукції поляризуючого магнітного поля на торці осердя джерела магнітного поля та в поверхневому шарі як феромагнітного так і неферомагнітного металовиробу визначено особливості розташування високочастотної котушки індуктивності під джерелом магнітного поля для ефективного збудження зсувних ультразвукових імпульсів (в центральній частині торця феромагнітного осердя) або поздовжніх ультразвукових імпульсів (біля периферійної частини торця феромагнітного осердя) [6]. Збільшення кількості витків котушки намагнічування при наявності феромагнітного осердя призводить до значного збільшення часу перехідних процесів при включенні живлення імпульсного джерела поляризуючого магнітного поля і при його виключенні. В результаті час дії імпульсу живлення збільшується до 1 мс і більше, що призводить до збільшення сили притягування ЕМАП до феромагнітного виробу, додаткових втрат електроенергії, погіршенню температурного режиму перетворювача. Для зменшення часу дії імпульсу живлення джерела магнітного поля необхідно зменшувати кількість витків котушки намагнічування, але це призводить до зменшення величини магнітної індукції навіть при наявності феромагнітного осердя. В результаті раціонального вибору конструкції джерела магнітного поля встановлена необхідність виконання його котушки намагнічування плоскою двовіконною трьохвитковою і виготовляти з високоелектропровідного високотеплопровідного матеріалу [7-9]. Осердя повинно бути розміщено в вікнах котушки намагнічування тільки торцями. В результаті час дії імпульсу намагнічування зменшено до 200 мкс, що достатньо для контролю виробів товщиною до 300 мм. Високочастотна котушка індуктивності виконана з двома лінійними робочими ділянками, які розташовуються під вікнами котушки намагнічування [9]. При протилежних напрямках високочастотного струму в цих робочих ділянках в поверхневому шарі виробу збуджуються синфазні потужні імпульси зсувних ультразвукових хвиль. При цьому відношення збуджуваних амплітуд зсувних та поздовжніх імпульсів перевищує 30 дБ. Тобто когерентні імпульси поздовжніх хвиль при контролі луна методом практично не будуть впливати на результати діагностики феромагнітних виробів. Розроблені варіанти конструкцій електромагнітно-акустичних перетворювачів з одновитковими [7], двовитковими [8] та трьохвитковими [9] котушками намагнічування джерела імпульсного поляризуючого магнітного поля. При одновитковій котушці [7] перехідні процеси при включенні імпульсу живлення мінімальні. Проте необхідно збуджувати в котушці струм з силою в кілька кА, що ускладнює температурний режим перетворювача та апаратуру живлення. При трьохвитковій котушці [9] намагнічування амплітуда донних імпульсів по відношенню до амплітуди завад перевищує 24 дБ, що дозволяє проводити контроль та діагностику значної кількості металовиробів. При використанні шихтованого осердя [9] відношення амплітуд корисного сигналу і шуму збільшилося до 38 дБ, що дає можливість проводити ультразвуковий контроль лунаметодом. Розроблено метод [10 ] ультразвукового електромагнітно- акустичного контролю феромагнітних виробів, суть якого заключається в збудженні ультразвукових імпульсів шляхом формування в поверхневому шарі феромагнітного виробу двох рядом розташованих короткочасно намагнічених ділянок з протилежним напрямком векторів магнітної індукції поляризуючого поля, збудженні в намагнічених ділянках пакетних імпульсів електромагнітного поля з протилежно направленими векторами напруженості тривалістю в кілька періодів високої частоти заповнення, при цьому збудження імпульсів електромагнітного поля виконують в момент часу, який дорівнює часу перехідних процесів з встановлення робочої величини індукції поляризуючого магнітного поля, а прийом ультразвукових імпульсів відбитих з виробу виконується в період часу tпр, який визначається за виразом T – t1 – t2 – t3 < tпр = t1 + t2 + t3 + 2H/C, де Т – тривалість імпульсу намагнічування; t1 – час перехідних процесів з встановлення робочої величини індукції поляризуючого магнітного поля; t2 – час дії пакетного імпульсу електромагнітного поля; t3 – час затухаючих коливань в плоскій високочастотній котушці індуктивності; Н – товщина виробу або відстань в об’ємі виробу, які підлягають ультразвуковому контролю; С – швидкість поширення зсувних ультразвукових хвиль в матеріалі виробу. Встановлено [9] [9], що завади в феромагнітному осерді, обумовлені ефектом Баркгаузена та магнітострикційним перетворенням електромагнітної енергії в ультразвукову при збудженні ультразвукових імпульсів, практично виключаються за рахунок виготовлення осердя шихтованим, матеріал пластин осердя повинен мати низький коефіцієнт магнітострикційного перетворення, пластини осердя повинні бути орієнтовані перпендикулярно провідникам робочих ділянок плоскої високочастотної котушки індуктивності, а також заповненням щілин між пластинами осердя рідиною із значною густиною, наприклад гліцерином. Показано, що чутливість прямих ЕМА перетворювачів з імпульсним намагнічуванням при живленні розробленим генератором пакетних зондуючих високочастотних імпульсів [11 ] та прийомі малошумлячим підсилювачем [12 ] забезпечують виявлення плоскодонних відбивачів діаметром 3 мм і більше при частоті зондування 40 Гц, піковому високочастотному струмі 120 А, частоті зсувних лінійно поляризованих ультразвукових коливань 2,3 МГц, тривалості високочастотного пакетного імпульсу 6…7 періодів частоти заповнення, тривалості імпульсу намагнічування 200 мкс, густині струму намагнічування 600 А/мм2 та при зазорі між ЕМАП і виробом 0,2 мм [9] [9]. При цьому амплітуда луна імпульсу відбитого від дефекту по відношенню до амплітуди завад досягає 20 дБ. Розроблені ЕМАП захищені 2 патентами на корисну модель.Документ Електромагнітно-акустичні перетворювачі для ультразвукового контролю металовиробів(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Салам, БуссіДисертація 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, 2020. В дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-практичну задачу з розробки нових типів ЕМАП для ефективного ультразвукового контролю металовиробів. В роботі виконано комп’ютерне моделювання розподілу магнітних полів ЕМАП при імпульсному намагнічуванні феромагнітних та немагнітних виробів. Встановлені шляхи побудови перетворювачів з максимальною чутливістю. Розроблено метод збудження імпульсних пакетних ультразвукових імпульсів за рахунок послідовного в часі формування імпульсного магнітного та електромагнітного полів. Розроблено технічні рішення пригнічення когерентних завад в осерді та у виробі. Визначені геометричні та конструктивні параметри джерела імпульсного магнітного поля, що дало можливість збуджувати потужні синфазні пакетні імпульси високочастотних зсувних коливань в ОК. Показано, що чутливість прямих ЕМА перетворювачів з імпульсним намагнічуванням забезпечують виявлення плоскодонних відбивачів діаметром 3 мм і більше при частоті зондування 40 Гц, частоті зсувних лінійно поляризованих ультразвукових коливань 2,3 МГц, піковому струмі високочастотних пакетних імпульсів 120 А, тривалості пакетних високочастотних імпульсів струму в 6 періодів частоти заповнення, тривалості імпульсу намагнічування 200 мкс, щільності струму намагнічування 600 А/мм2 та при зазорі між ЕМАП і виробом 0,2 мм. При цьому амплітуда луна-імпульсу від дефекту по відношенню до амплітуди завад досягає 20 дБ, що дає можливість забезпечити якісну дефектоскопію металовиробів.