Підвищення чутливості магнітного методу контролю харчових продуктів шляхом використання ферозондів

Размещено на http://www.allbest.ru/

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

АВТОРЕФЕРАТ

Дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЧУТЛИВОСТІ ФЕРОЗОНДОВОГО МЕТОДУ КОНТРОЛЮ МЕТАЛЕВИХ ВКЛЮЧЕНЬ У ХАРЧОВИХ ПРОДУКТАХ

Водолазський Віталій Миколайович

05.11.13- Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Луганськ-2008

Анотація

Водолазський В.М. Підвищення чутливості магнітного методу контролю харчових продуктів шляхом використання ферозондів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13- Прилади і методи контролю та визначення складу речовин. Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля. Луганськ, 2008

У дисертації запропонований і теоретично обґрунтований метод підвищення чутливості електромагнітних металодетекторів, заснований на використанні в якості їх магніточутливих елементів ферозондів, об'єднаних у БФД.

Розроблено метод синтезу магнітного поля в заданій галузі. Розроблено математичні моделі для розрахунку магнітного поля, індукованого ФЧ у прикладеному постійному і змінному магнітних полях, а також поля що створюється попередньо намагніченій ФЧ.

У роботі розроблені основи теорії БФД, що представляє собою лінійку ферозондів, об'єднаних одним осердям.

Знайдено аналітичні вирази для функції перетворення БФД, її залежності від режиму збудження, запропонована методика розрахунку БФД. Дано аналіз як аперіодичного режиму БФД, так і резонансного, тобто режиму параметричного посилення. Отримано аналітичні залежності для визначення амплітуди вихідного сигналу при резонансному режимі роботи, визначена область стійкості, розглянуто питання рівномірності вихідної характеристики БФД, запропоновані формули для розрахунку припустимих відстаней між ферозондами в лінійці БФД.

Результати теоретичних розрахунків перевірені шляхом натурного експерименту. Проведено експериментальні дослідження магнітного поля зондуючої котушки. Експериментально визначене магнітне поле індукованого ФЧ як у прикладеному зондуючому полі, так і в залишковому. Шляхом експериментальних досліджень знайдена чутливість БФД і його поріг чутливості. Підтверджено надійність роботи металодетектора в умовах контролю потоку харчових продуктів для виявлення ФЧ.

Розроблено і виготовлено експериментальний зразок приладу для контролю харчових продуктів на наявність ФЧ, приведені результати перевірки приладу при контролі потоку зерна.

Ключові слова: харчові продукти, феромагнітні частинки, магнітне поле, синтез поля котушки, магнітне поле розсіяння, ферозонд, функція перетворення, осердя, резонанс, металодетектор.

Аннотация

Водолазский В.Н. Повышение чувствительности магнитного метода контроля пищевых продуктов путем использования феррозондов.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13- Приборы и методы контроля и определения состава веществ. Восточноукраинский национальный університет шимени Владимира Даля,. Луганск, 2008

В диссертации предложен и теоретически обоснован метод повышения чувствительности электромагнитных металлодетекторов, основанный на использовании в качестве их магниточувствительных элементов феррозондов, объединенных в многоэлементный феррозондовый датчик (МФД).

Анализ литературных источников дал информацию о том, что при возросших требований к безопасности и качеству пищевых продуктов существующие электромагнитные металлодетекторы не могут обнаруживать ферромагнитные частицы (ФЧ) массой не превышающей 0,1г. Несмотря на постоянное совершенствование электромагнитных металлодетекторов в направлении уменьшения их порога чувствительности и увеличения помехоустойчивости кардинальных результатов добиться не удается.

Перспективным является создание комбинированных металлодетекторов, у которых источником зондирующего поля является многосекционная катушка, а магниточувствительным элементом - МФД.

Второй частью магнитной системы комбинированного металлодетектора является катушка, генерирующая постоянное или синусоидальное поле в области контроля. Зондирующее поле должно иметь заданную топографию. Для решения этой задачи в работе разработан метод синтеза магнитного поля в заданной области. Катушка разбивается на секции, и ток каждой секции определяется путем численного решения интегрального уравнения Фредгольма первого рода. В отличие от известного метода синтеза, в разработанном методе кроме расчета токов в секциях определяются их геометрические параметры и расстояния между секциями. Это позволяет осуществить синтез поля в области контроля при минимальных значениях тока в секциях катушки.

Разработаны математические модели для расчета магнитного поля, индуцированного ФЧ в приложенном постоянном и переменном магнитных полях, а также поля создаваемом предварительно намагниченной ФЧ. Математические модели представляют собой линейные интегральные уравнения Фредгольма 2-го рода. Для расчета синусоидального поля индуцированного ФЧ используется система уравнений Фредгольма 2-го рода. После определения плотности поверхностных магнитных зарядов простого слоя поле индуцированной ФЧ аппроксимируется полем магнитного диполя. Это позволяет найти поле индуцированной ФЧ при различной её ориентации в пространстве и на разном расстоянии до МФД. Расчет поля индуцированного ФЧ дает возможность обоснованно выбирать параметры МФД. Результаты расчета показывают, что только датчик основанный на феррозондах дает возможность измерить магнитное поле порядка 10^-3 А/м.

В работе разработаны основы теории МФД представляющей собой ансамбль феррозондов объединенных одним сердечником. Для поля возбуждения магнитопровод МФД является замкнутым, что обеспечивает минимум аддитивной помехи, для измеряемого поля магнитопровод не замкнут.

Путем математического моделирования определяется магнитная проницаемость разомкнутого сердечника, ее зависимость от геометрических параметров магнитопровода. Установлено, что магнитная проницаемость сердечника в большей степени зависит от угла сопряжения двух сердечников.

Найдены аналитические выражения для функции преобразования МФД, её зависимости от режима возбуждения, предложена методика расчета МФД. Дан анализ как апериодического режима МФД, так и резонансного, то есть режима параметрического усиления. Получены аналитические зависимости для определения амплитуды выходного сигнала при резонансном режиме работы, определена область устойчивости.

Поскольку МФД представляет собой линейку феррозондов, которая должна контролировать все поперечные сечения потока пищевых продуктов, рассмотрен вопрос равномерности выходной характеристики МФД, предложены формулы для расчета допустимых расстояний между феррозондами в линейке МФД.

Результаты теоретических расчетов проверены путем натурного эксперимента. На разработанном стенде проведены экспериментальные исследования магнитного поля зондирующей катушки. Показано удовлетворительное совпадение экспериментальных данных и результатов теоретического синтеза поля. Экспериментально определено магнитное поле индуцированного ФЧ как приложенном зондирующем поле, так и в остаточном. Путем экспериментальных исследований найдена чувствительность МФД и его порог чувствительности. Подтверждена работоспособность металлодетектора в условиях контроля потока пищевых продуктов для обнаружения ФЧ.

Разработан и изготовлен экспериментальный образец прибора для контроля пищевых продуктов на наличие ФЧ, приведены результаты испытания прибора при контроле потока зерна.

Ключевые слова: пищевые продукты, ферромагнитные частицы, магнитное поле, синтез поля катушки, магнитное поле рассеяния, феррозонд, функция преобразования, сердечник, резонанс, металлодетектор.

Abstract

Vodolazskij V. The increasing of sensitivity of a magnetic quality monitoring of foodstuff by using flux gates. - the manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.11.13. - Devices and a quality monitoring and definitions of structure of substances.

Volodymyr Dahl East Ukrainian National University. Lugansk, 2008

In the dissertation the method of increase of sensitivity electromagnetic metalldetector, based on using them as magnetosensible flux gate elements, incorporated in multielement flux gate detector (MFgD).

The method of synthesis of a magnetic field in the set area is developed. Mathematical models for calculation of a magnetic field induced a ferromagnetic particle in the enclosed constant and variable magnetic fields, and also fields created preliminary magnetized ferromagnetic particle are developed.

The bases of multielement flux gate gauge theory, making an ensemble of flux gate incorporated, are developed by one core.

Analytical expressions for function of transformation multielement flux gate gauge, its dependence on a mode of excitation are found, the design procedure multielement flux gate detector is offered. The analysis as aperiodic mode multielement flux gate detector, and resonant, that is a mode of parametrical amplification is given. Analytical dependences for definition of amplitude of a target signal are received at a resonant operating mode, the area of stability is determined, the question of uniformity of the target characteristic multielement flux gate gauge is considered, formulas for calculation of allowable distances between the flux gate in a ruler of multielement ferromagnetic gauges are offered.

Results of theoretical calculations are checked up by full-scale experiment. Experimental researches of a magnetic field of the probing coil are lead.

The magnetic field of an induced ferromagnetic particle as the enclosed probing field, and in residual is experimentally determined. By experimental researches multielement flux gate detector sensitivity and his threshold of sensitivity is found. The serviceability of metaldetector in conditions of the control of a stream of foodstuff for detection of ferromagnetic particles is confirmed.

The experimental sample of the device for the control of foodstuff over presence of ferromagnetic particles is developed and made, results of test of the device are resulted at the control of a stream of a grain.

Key words: foodstuff, ferromagnetic particles, a magnetic field, synthesis of a field of the coil, magnetic field of dispersion, flux gate, the function of transformation, the core, a resonance, metaldetector.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У зв'язку зі вступом України у Світову організацію торгівлі підвищились вимоги до безпеки і якості харчових продуктів, і це вимагає більш досконалих приладів для контролю харчових продуктів на наявність в них металевих часток і предметів. У виробництві харчових продуктів першорядне значення набувають заходи, що гарантують їхню безпеку для життя і здоров'я населення. Вони ґрунтуються на безумовному виконанні підприємствами-виробниками санітарних норм і правил контролю за небезпечними включеннями в сировині, напівфабрикатах і готовій продукції.

Існують прилади для виявлення металевих включень у харчових матеріалах, принципи дії яких ґрунтуються на електромагнітному принципі дії, які, в основному, призначені для контролю продуктів, що пересуваються в потоці. Їхній поріг чутливості дозволяє виявляти металеві частки масою, що залежить від умови контролю, і яка перевищує масу металевих включень, що зустрічаються в контрольованих матеріалах. Маса металевих часток може не перевищувати 0,1-0,5г.

Незважаючи на постійне удосконалювання електромагнітних металодетекторів у напрямку зменшення їхнього порога чутливості і збільшення перешкодостійкості, суттєвих результатів домогтися не вдається. Потрібний новий підхід до принципу побудови електромагнітних металодетекторів. Одним із таких нових підходів є створення комбінованих детекторів, у яких використовується електромагнітна система джерела поля що зондує, а в якості магніточутливого елемента використовується ферозонд як датчик постійного і змінного магнітного поля, елемент високонадійний, дешевий, з одним із найменших порогів чутливості серед магніточутливих елементів.

За допомогою ферозондів контроль харчових продуктів можна здійснювати в прикладених змінних і постійних магнітних полях.

Основною завадою використання перспективного комбінованого методу виявлення металевих часток є відсутність теоретичних і експериментальних досліджень, що стали б в основі проектування приладів, в яких реалізували б цей метод.

Таким чином, дослідження методів і приладів контролю харчових продуктів, що ґрунтуються на принципі виміру інформаційних полів ферозондами, є актуальною задачею і результати її розв'язання мають наукове і практичне значення.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана відповідно до Концепції Державної програми забезпечення технологічної безпеки в основних галузях економіки, затвердженої розпорядженням Кабінету Міністрів України від 11 червня 2003 року №351 і в рамках держбюджетних НДР Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля ДН-05-04 (№ ДР 0104U 000102) наказ МОН України №746 від 07.11.2003 р., ДН-42-07 (№ ДР 0107U 000283), а також у рамках госпдоговірних тем.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є подальше вдосконалювання електромагнітних металодетекторів для контролю харчових продуктів у напрямку зниження їхнього порога чутливості.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

· вибрати напрямок розв'язання задачі підвищення чутливості і зниження порога чутливості електромагнітних металодетекторів, за результатами аналізу існуючих принципів їх побудови;

· розробка методики синтезу котушок зондувального електромагнітного поля металодетектора та реалізувати її у вигляді алгоритмів та програм;

· визначити поля, індуковані феромагнітними частками;

· виконати теоретичні дослідження багатоелементного ферозондового детектора (БФД) та разрахунок його функції перетворення;

· визначити чутливість БФД при параметричному резонансі;

· провести експериментальні дослідження комбінованих металодетекторів.

Об'єкт дослідження - процес контролю харчових продуктів за допомогою магнітних металодетекторів.

Предмет дослідження - ферозондовий металодетектор.

Методи дослідження - у теоретичних дослідженнях використовується метод інтегральних рівнянь для синтезу магнітного поля, чисельні методи вирішення інтегральних рівнянь, моделювання полів феромагнітних часток методи магнітних вимірювань.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

· уперше здійснений вибір параметрів магнітних систем джерел зондувальних полів металодетекторів на основі параметричного синтезу магнітного поля в області контролю, що дає можливість підвищити чутливість металодетекторів;

· запропонований і теоретично досліджений БФД із замкненим осердям, що дає можливість контролювати весь поперечний переріз потоку харчових продуктів із належною чутливістю;

· уперше досліджений параметричний режим БФД з замкнутим осердям, що на два порядки підвищує чутливість БФД без додаткової електронної апаратури.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що на підставі отриманих результатів розроблені рекомендації для розрахунку параметрів електромагнітної системи зондування ферозондових металодетекторів для контролю сировини і продукції харчових виробництв, що прийняті для впровадження в Луганському регіональному відділенні Аграрної біржі, НДЛ "Технічна електродинаміка" Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Теоретичні результати дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі на кафедрах "Електричні системи електроспоживання", "Електромеханіка" і "Прилади" для спеціальностей "Прилади і системи неруйнівного контролю" і "Наукові, аналітичні й екологічні прилади і системи".

Особистий внесок здобувача. Автором запропоновано концепцію проведення контролю сировини і продукції харчової промисловості з метою виявлення феромагнітних включень за допомогою БФД із замкненим осердям, проведено дослідження параметричного режиму БФД з замкненим осердям, зроблено синтез зондуючого магнітного поля котушки.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на ІІІ Всеукраїнській науково-практичній конференції студентів, аспірантів і молодих учених "Крок у майбутнє" (м. Київ, 2003р.); ХІІ міжнародній науково-практичній конференції "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я" (м. Харків, 2004р.); XXІ Міжнародній конференції ІC-SPETO (м. Гливеце, 2006р.) ІSEF-2007- XІІІ Іnternatіonal Symposіum on Electromagnetіc Fіelds іn Mechatronіcs, Electrіcal and Electronіc Engіneerіng (м. Прага, 2007р.); міжнародній науково-технічній конференції "Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації" (м.Кременчуг, 2007р. ); науково-практичній конференції "Актуальные проблемы прикладной физики" (м.Луганськ, 2007р.).

2. Основний зміст роботи

У вступній частині обґрунтовано актуальність теми дисертації , показано зв'язок роботи з науковими держбюджетними темами, сформульовано мету і основні задачі теоретичних і експериментальних досліджень, наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів. Наведено дані щодо впровадження результатів роботи, особистий внесок автора, апробації і публікації.

У першому розділі наведено дані про документи, що і постанови, що відбивають вимоги до якості і чистоти продуктів харчування, зокрема Закон України "Про безпеку і якість харчових продуктів".

Відповідно до сучасних вимог, зміст металомагнітної домішки на 1 кг борошна, повинен бути не більш 3,0 мг, дозволяються металеві частки до 5,0 мг тільки в кормах для тваринництва.

Для виключення таких негативних явищ як присутність у харчових продуктах феромагнітних часток (ФЧ) необхідно застосовувати у виробництві металодетекцію вихідної сировини, напівфабрикатів і готової продукції. Приведено аналіз фізико-механічних властивостей контрольованих продуктів харчування.

На цей час найбільш розповсюдженими методами контролю харчових продуктів на наявність металевих часток є рентгенівський і електромагнітний. Рентгенівський метод через свою високу вартість у харчовій промисловості розповсюджений у значно меншою мірою, ніж електромагнітний.

Під чутливістю металодетекторів розуміється крутість їх статичної характеристики, що пов'язує величину вихідного сигналу зі значенням напруженості поля індукованого ФЧ. Цей параметр металодетектора, в основному, визначає поріг чутливості металодетектора.

За поріг чутливості металодетекторів для виявлення металевих часток пропонується використовувати мінімальну масу ФЧ яку виявляє металодетектор.

Сучасні електромагнітні металодетектори для виявлення металевих часток у потоках неметалічної сировини мають поріг чутливості рівний 0,1-0,5 г, у той час як вимоги до чистоти харчових продуктів встановлюють поріг чутливості на порядок менший.

Домінуючими факторами, що перешкоджають суттєвому підвищенню чутливості металодетекторів, є перешкоди, створювані електромагнітними зарядами, що виникають за рахунок тертя часток, вібрацій технологічного устаткування, наведення в прийомних котушках від електроустаткування.

Розглянуто методи, що існують, побудови металодетекторів. Проаналізовані металодетектори, в котрих як датчики магнітного поля використовуються ферозонди, для цих металодетекторів, відзначений їхній низький поріг чутливості і низька вартість.

Метод електромагнітного контролю має поріг чутливості виявлення металевих часток, який залежить від розмірів котушки зондуючого поля і приймаючих котушок. Необхідність істотного зменьшення порога чутливості вимагає застосування інших методів виміру поля індукованого металевою часткою. До такого методу можна віднести метод ферозондового контролю, що, згідно з літературними даними, ефективний при контролі феромагнітних часток, що найбільш часто зустрічаються в харчових продуктах. Цей метод дозволяє створювати металодетектори з порогом чутливості 1-5 мг.

Важливим є правильний вибір джерел поля що зондує, якими є котушки зі струмом. Сформовано задачу синтезу магнітного поля в області контролю, результати якого забезпечують високу чутливість металодетекторів.

Обговорюються методи побудови металодетекторів для виявлення феромагнітних часток у немагнітних середовищах та існуючі методи підвищення їхньої чутливості. Визначається коло задач, яке необхідно розв'язати при розробці ферозондового методу контролю харчових продуктів на наявність ФЧ.

У другому розділі виконано синтез магнітного зондувального поля й аналіз полів індукованих ФЧ. Магнітні системи металодетекторів складаються з джерела постійного чи змінного магнітного поля, якими є котушки, що складаються із секцій і ферозондів, об'єднаних у БФД.

Оптимізація магнітної системи зондувального поля виконана за критерієм максимальної чутливості металодетектора. Магнітна система повинна генерувати однорідне поле в шарі харчових продуктів, що переміщуються на транспортерній стрічці, і створювати мінімальну напруженість поля в зоні розташування БФД. Найбільш ефективним засобом параметричної оптимізації є синтез поля з заданими параметрами, розроблений І.П. Стадником. У розділі наведений аналіз існуючих методів синтезу магнітних полів, рекомендована математична модель синтезу, даний алгоритм її чисельної реалізації, описані результати чисельних експериментів.

Синтез поля здійснювався шляхом чисельного рішення інтегрального рівняння Фредгольма 1-го роду. На відміну від відомих методів синтезу поля в роботі синтез поля здійснювався при зміні геометричних розмірів секції. Крім цього, керованим параметром є також повітряний прошарок між першою й останньою секціями. Результати синтезу однорідного поля з величиною напруженності 200 А/м котушкою, що складається з трьох секцій з розмірами 0,4х0,4х0,15 м наведені в таблиці 1.

Другою важливою теоретичною задачею є розрахунок поля, індукованого ФЧ.

Незважаючи на різноманіття геометричних форм часток необхідний єдиний метод розрахунку їхніх полів розсіювання на відстані частки до точки спостереження значно більшому, ніж розміри ФЧ.

Поверхня ФЧ представляється паралелепіпедом, її поверхня апроксимується прямокутними площадками, у межах яких вдається, що M_n=const.

Після розв'язання системи лінійних алгебраїчних рівнянь, до якої зводиться рівняння, у результаті чого визначається значення M_n у кожній елементарній площадці. Знаходяться середні значення намагніченості на кожній грані паралелепіпеда <M_nx>, <M_ny>, <M_nz>, що дає можливість знайти вектор намагніченості усієї ФЧ. Це значення дорівнює

(1)

Усереднене значення вектора розміщується в геометричний центр ФЧ. За знайденим значенням <М> знаходиться магнітний момент диполя, полем якого апроксимується поле ФЧ.

, (2)

де V- об'єм феромагнітної частки.

Поле ФЧ надалі розраховується як поле диполя за відповідними формулами.

Розрахунок максимального значення поля зроблений для феромагнітних часток із перетином 2х2 мм і різної довжини, що попередньо намагнічувалися і полем напруженістю 10⁴ А/м. Змінювалася також відстань між центром ФЧ і точкою спостереження. Маса частки змінювалася від 8 до 12 мг. Поріг чутливості ферозондів не повинний бути вищим за 3*10^-4 А/м, що технічно реалізовано.

Дані з максимальною напруженістю індукованої ФЧ у прикладеному полі приведені для тих же ФЧ (матеріал Ст 20) . Як показують дані приведені в таблиці у прикладеному полі максимальні значення магнітного поля індукованого ФЧ у 2-2,5 рази більше. Розрахунок поля індукованого ФЧ у прикладеному синусоїдальному полі робився шляхом чисельного розрахунку системи інтегральних рівнянь Фредгольма другого роду.

При розподілу поверхні ФЧ на елементарні площі прямокутної форми. Магнітне поле ФЧ апроксимується полем диполя.

За розробленою методикою розраховувалося поле ФЧ при наступних її параметрах: маса 10 мг, відстань д=30 мм; питома провідність матеріалу 2,1*10⁶См/м; µ=400; амплітуда намагнічування 2*10^-4 А/м. За результатом розрахунку було визначено, що максимальне значення модуля напруженості індукованого ФЧ поля склало Н_m=8*10^-4 А/м. Робилася оцінка дальності виявлення ФЧ у напівпровідному середовищі. Результати розрахунку показують, що максимальна дальність виявлення дорівнюється 80 мм. Результат теоретичного розрахунку підтверджений експериментальними даними.

Третій розділ присвячений розробці основ теорії БФД. При досить широкій транспортерній стрічці, по якій переміщується потік харчових продуктів (300-500 мм) і малій відстані між датчиками і ФЧ, робити контроль наявності ФЧ у потоці харчових продуктів одним феррозондом неможливо. Тому запропонована конструкція БФД, при цьому БФД може містити не два, як показано на малюнку, ферозонда, а більше.

Головною перевагою БФД, у порівнянні з набором ферозондів зі стрижневими осердями, є те, що для магнітного потоку збудження він має замкнений магнітний ланцюг, що значно зменшує струм збудження і поріг чутливості. Для вимірюваного поля осердя БФД є розімкнутими, тому проведені теоретичні дослідження магнітної проникності осердів БФД для вимірюваного поля.

Осердя БФД має складну геометричну форму і його проникність стосовно вимірюваного поля можна визначити тільки шляхом чисельного розрахунку магнітного поля.

Задача розрахунку зведена до знаходження нормальної компоненти намагніченості на зовнішній поверхні осердя.

Поверхня осердя розподілялася на 76 елементарних площадок. Знаходилося середнє значення індукції в центральному перерізі осердя і розраховувалася магнітна проникність осердя.

За розробленою методикою розраховувалася магнітна проникність системи двох сполучених осердь і магнітна проникність ізольованого стрижневого осердя з параметрами: 2b=60, 50, 40, 30, 20 мм; 2а=4 мм; 2 с=0,05мм.

З отриманих даних випливає, що в сполучених осердях магнітна проникність відносно вимірюваного поля зменшується в порівнянні з магнітною проникністю стрижневого осердя на 30-40% при малому куті б. При збільшенні кута б до 90⁰ магнітна проникність сполучених осердь падає більше ніж у два рази.

Визначено функцію перетворення БФД, у яку введена величина індуктивного опору.

Значення Z_L необхідно для визначення оптимального значення амплітуди напруженості поля збудження.

Відносно H_m, яке відповідно до відомих рекомендацій вибирається рівним

Функція перетворення БФД при виконанні умови .

Для збільшення чутливості БФД пропонується використовувати параметричний режим, для чого до обмотки БФД підключається ємність. Отримано аналітичну залежність функції перетворення БФД, що працює в режимі параметричного посилення. Визначено умови, що гарантують сталу роботу БФД.

Встановлено, що вихідний сигнал мостової схеми БФД у режимі параметричного посилення в 1,2-1,6 рази більше, ніж у схемі з вторинною обмоткою. У режимі параметричного посилення функція перетворення БФД збільшується в 8-10 разів.

Виведено аналітичний вираз для функції перетворення БФД, що вимірює синусоїдальне поле. Розраховано спектри вихідного сигналу при вимірі синусоїдального поля.

Запропоновано методику визначеного кроку установки елементів БФД, при якому забезпечується рівномірна за довжиною датчика функція перетворення.

У четвертому розділі викладені методика і дані експериментальних досліджень елементів металодетекторів для контролю харчових продуктів і результати розробки експериментального зразка приладу. Метою експериментальних досліджень була перевірка коректності теоретичних розрахунків, необхідних для розробки магнітного металодетектора для харчових продуктів. Експериментальні дослідження містили в собі наступне: визначення напруженості магнітного поля, що створюється зондуючими котушками; вимір полів індукованих ФЧ; визначення параметрів БФД.

Для дослідження магнітного поля котушок що зондують, параметри яких вибиралися шляхом синтезу магнітного поля розроблений і виготовлений стенд. Стенд містив три полиці, на яких розміщувалися секції котушки. Відстань між полицями могла змінюватися з кроком 10 мм. Під котушкою розташовувався стіл, на якому спеціальним пристроєм переміщалися два датчики Холла, що вимірюють дві складові вектора напруженості магнітного поля, індукованого котушкою. Висота столу змінювалася за допомогою гвинта. Чутливість датчика Холла складала G=1В/Тл. Основна похибка визначення напруженості магнітного поля не перевищувала 3%.

Результати експерименту розходяться з даними, отриманими шляхом розрахунку не більш, ніж на 8%.

Експериментально визначені статичні характеристики БФД, по яких визначалася функція перетворення БФД. Для експерименту був використаний БФД, що складається з одного ферозонда, що має наступні параметри: 2b=40, 60, 80, мм; 2а=4мм; 2с=0,05мм.

Обмотка збудження містила W=200 витків, чутливість БФД при різних довжинах осердя складала G=2*10^-4; 5,2*10^-4; 8*10^-4; В/(А/м).

Статичні характеристики БФД з одним ферозондом в апериодичному і резонансному режимах (режим параметричного посилення).

Зі статичних характеристик виходить, що чутливість БФД в аперіодичному режимі складає G=2,4*10^-4; 5*10^-4; 7,6*10^-4 В/(А/м).

Для резонансного режиму для трьох довжин осердь ферозонда розраховані наступні значення чутливості 3,6*10^-3; 7*10^-3; 12*10^-3; В/(А/м). Експериментально отримані дані для тих самих довжин осердь рівні 3,4*10^-3; 7*10^-3; 12,4*10^-3; В/(А/м).

Отже, експериментальні дані відрізняються від результатів теоретичних розрахунків не більш, ніж на 6%.

Експериментально визначався поріг чутливості БФД у двох режимах роботи: в аперіодичному і резонансному. Для цього БФД ретельно екранувався від поля Землі, додатково зовнішнє поле перешкоди компенсувалося шляхом подачі струму в обмотку компенсації. У спеціальну обмотку подавався, мінімальний на який реагував магнітометричний канал, калібрований струм. Вимірявся найбільший розмах флуктуацій вихідної напруги магнітометричного каналу, з тих що з'являються за 30 хвилин. За рівень аддитивної перешкоди приймалася половина цього розмаху.

Найнижчий поріг чутливості у ферозонда з розімкненим осердям при тих самих параметрах складає 0,0086 А/м. Встановлено, що поріг чутливості ферозонда, що входить у БФД нижчий, ніж у ферозонда зі стрижневим осердям, завдяки тому, що використовується замкнений відносно поля збудження осердя, що забезпечує високу однорідність поля і низький рівень аддитивних перешкод.

Експериментально визначалася нерівномірність вихідної характеристики БФД, що складається з 4-х ферозондів. Установлено, що коефіцієнт використання довжини датчика, що складається з чотирьох ферозондів, складає 0,7, при восьми ферозондах- 0,92.

Наведено результати випробування макета установки для виявлення ФЧ у потоці пшениці на транспортерній стрічці. Швидкість руху стрічки транспортера складала 0,35 м/с. Над транспортером розміщалася котушка зондувального поля, що складається з трьох секцій. Котушка могла змінювати місце розташування по довжині транспортера, що давало можливість здійснювати контроль як у прикладеному, так і в залишковому полі. Над транспортером знаходився БФД у вигляді лінійки з чотирьох ферозондів, що контролював зону шириною в 30 см.

Відстань між ферозондами складає 80 мм. Відстань між БФД і поверхнею контрольованого шару сировини має можливість змінюватися від 40 до 100мм.

Напруженість прикладеного поля дорівнювала Н₀=2*10³ А/м, попереднє намагнічування часток здійснювалося напруженістю Н₀=10⁴ А/м. Дані, отримані в результаті експерименту. У дужках наведені дані при контролі в залишковому полі.

Видно, що при відстані між датчиком і ФЧ д=40 мм виявляємість ФЧ масою 0,02 г відповідає вимогам чистоти харчових продуктів.

У розділі наведені схеми побудови і структурні схеми експериментальних зразків металодетекторів для харчової промисловості для різних видів харчових продуктів.

електромагнітний метало детектор ферозонд

Висновки

У дисертації вирішена задача підвищення чутливості металодетекторів для харчової промисловості на основі застосування в якості чутливих елементів ферозондів, що утворюють багатоелементний ферозондовий детектор.

1. Зроблено аналіз існуючих методів побудови електромагнітних металодетекторів, на основі якого зроблений висновок про те, що для підвищення їхньої чутливості і зниження порога чутливості необхідно застосувати в лінійних системах металодетекторів ферозонди, що дадуть можливість вимірювати магнітні поля напруженістю близько А/м.

2. Розроблено методику синтезу котушок, що індукують зондуюче поле, яке дозволяє в області розташування магніточутливих елементів створювати поле необхідної топографії.

3. Розроблено методику розрахунку магнітного поля розсіювання намагнічених ФЧ, що дозволяє визначити поріг чутливості елементів, що вимірюють магнітне поле. Максимальне значення напружності поля розсіювання на відстані 40 мм складає А/м для ФЧ масою 10 мг.

4. Запропонований і теоретично обґрунтований багатоелементний ферозондовий детектор, що дає можливість контролювати потік харчових продуктів на конвеєрі. Встановлено, що проникність форми осердь, з'єднаних під кутом одне до одного зменшується на 40-50%, у порівнянні зі стрижневими осердями.

5. Для підвищення чутливості ферозондового вимірювального перетворювача теоретично досліджений режим параметричного посилення, при якому на порядок підвищується чутливість ферозондів у порівнянні з аперіодичним режимом.

6. Встановлено, що розрахунок функції перетворення ферозондів, обмотки яких з'єднані послідовно, в основному залежить від струму збудження. Розрахунки показують, що величина струму збудження визначається активною складовою опору ланцюга, тому що реактивний опір не перевищує 2-4 Ом.

7. Шляхом розрахунку за розробленою методикою визначено, що вихідний сигнал мостової схеми в режимі параметричного посилення в 1,2-1,6 рази більше, ніж за схемою з вторинною обмоткою.

8. Отримано функцію перетворення ферозонда, що вимірює синусоїдальне магнітне поле; встановлено, що амплітуда вихідного сигналу ферозонда починає зменшуватися при частоті поля що вимірюється, 0,8 від частоти збудження.

9. Шляхом експерименту встановлено, що розбіжність результатів розрахунку зондуючої котушки шляхом синтезу поля, що створюється нею , з експериментальними даними не перевищує 8%.

10. Експериментально встановлено, що розроблені ферозондові металодетектори мають поріг чутливості 5 мг, що відповідає вимогам харчової промисловості і на 2 порядки нижче порога чутливості існуючих електромагнітних детекторів.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Водолазский В.Н., Калмыков М.А., Ясуник С.Н. Синтез электромагнитной системы вибровозбудителя// Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.-Луганськ: СНУ ім.В.Даля, 2002- №12, с.56-59

Здобувачем виконано розрахунок синтезу електромагнітної системи.

2. Шведчикова И.А., Водолазский В.Н. Повышение чувствительности и помехоустойчивости вихретокового металлодетектора // Вестник НТУ “ХПИ”.-2004- №22.- с.107-112

Здобувачем запропоновано систему визначення положення металевого включення і метод збільшення перешкодостійкості.

3. Водолазский В.Н., Косарев В.И. Совершенствование алгоритма работы металлодетектора// Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.-Луганськ: СНУ ім.В.Даля, 2006-№2 (96) c.53-58

Здобувачем запропоновано новий алгоритм роботи металодетектора.

4. Водолазский В.Н., Шведчикова И.А. Принципы построения металлодетекторов (обзор)// Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.-Луганськ: СНУ ім.В.Даля, 2006-№9 (103).- с. 242-247

Здобувачем запропоновано метод класифікації металодетекторів.

5. Гречишкина Н.В., Водолазский В.Н., Корбан Н.П. Расчет поля намагниченных феррочастиц// Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.-Луганськ: СНУ ім.В.Даля, 2007-№11 (117).- с. 39-44

Здобувачем запропоновано елементи методу розрахунку магнітного поля феромагнітної частки.

6. Яковенко В.В., Водолазский В.Н. Синтез магнитного поля электротехнического устройства, Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського.- Кременчук: КДПУ, 2007.- Вип. 3/2007 (44).- с.58-59.

Здобувачем виконано розрахунок синтезу магнітного поля.

7. Шведчикова И.А., Водолазский В.Н., Сухаревская Н.А. Синтез новых технических решений и организация процесса проектирования// Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.-Луганськ: СНУ ім.В.Даля, 2007-№4 (110).- с.203-206.

Здобувачем запропоновано програмну реалізацію алгоритму синтезу нових технічних рішень.

8. Yakovenko V., Shvedchikova I., Vodolazsky V., Korban M. The Electromagnetic Combined Metal Detector. ISEF 2007-XIII International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering, Prague, Czech Republic p. 36-37

Здобувачем запропоновано нову конструкцію датчика на ферозондах.

9. Shvedchikova I., Vodolazsky V. Classification of separators magnetic circuits// XXIX IC-SPETO, Gliwice-Ustron, Poland, 24-27.05.2006. Vol.1.-PP.65-69.

Здобувачем запропоновано елементи методу класифікації сепараторів.

Размещено на Allbest.ru