Методи та засоби покращення параметрів низькочастотного каналу вихрострумового товщиноміра сталевих листових конструкцій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет „Львівська політехніка”

УДК 621.317

Методи та засоби покращення параметрів низькочастотного каналу вихрострумового товщиномірасталевих листових конструкцій

05.11.05 - Прилади та методи вимірювання

електричних та магнітних величин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Ферчук Костянтин Валерійович

Львів - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті „Львівська політехніка” Міністерства освіти та науки України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор Бучма Ігор Михайлович, Національний університет „Львівська політехніка”, професор кафедри „Комп'ютеризовані системи автоматики”

Офіційні опоненти: Захист відбудеться «26» лютого 2010р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.052.08

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету „Львівська політехніка”: 79000, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий «21» січня 2010р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради д.т.н., проф. Луцик Я.Т.



АНОТАЦІЯ

Ферчук К.В. Методи та засоби покращення параметрів низькочастотного каналу вихрострумового товщиноміра сталевих листових конструкцій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.05 - Прилади та методи вимірювання електричних та магнітних величин. - Національний університет „Львівська політехніка”, Львів, 2009. вимірювання вихрострумовий перетворювач феромагнітний

Дисертацію присвячено дослідженню методів та засобів покращення параметрів структури низькочастотного каналу вихрострумового товщиноміра сталевих листових конструкцій. Проаналізовано сигнали параметричного вихрострумового перетворювача при взаємодії з феромагнітним провідним об'єктом вимірювання та їх подальше перетворення, а також методи зменшення впливу флікер-шуму в засобах вимірювання з періодичним порівнянням. На основі аналізу запропоновано структуру низькочастотного каналу товщиноміра, в якій вплив флікер-шуму зведений до рівня нижчого, ніж вплив білого шуму. Оцінено основні похибки вимірювання, що виникають в цій структурі. Запропоновано модель джерела флікер-шуму на основі джерела білого шуму, придатну для використання в системах комп'ютерного моделювання.

Ключові слова: товщиномір, вихрострумовий метод, низькочастотний канал, флікер-шум, метод використання частоти комутації набагато вищої від частоти порівнюваних сигналів.



АННОТАЦИЯ

Ферчук К.В. Методы и средства улучшения параметров низкочастотного канала вихретокового толщиномера стальных листовых конструкций. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.05. - Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин. - Национальный университет «Львовская политехника», Львов, 2009.

Диссертация посвящена исследованию методов и средств улучшения параметров структуры низкочастотного канала вихретокового толщиномера стальных листовых конструкций.

В работе проанализирована чувствительность вихретоковых преобразователей параметрического и трансформаторного типов. Проанализировано влияние ферромагнитной проводящей пластины на вносимое на низких частотах в обмотку вихретокового преобразователя комплексное сопротивление, индуктивная составляющая которого в данном случае намного больше активной. Рассчитаны зависимости вносимого индуктивного сопротивления от толщины пластины при разных значениях относительной магнитной проницаемости материала пластины на частоте 1 Гц. Полученные соотношения использованы для анализа сигналов параметрического вихретокового преобразователя при их модуляции и последующих преобразованиях.

Предложена модель источника фликкер-шума на основе источника белого шума, пригодная для использования в системах компьютерного моделирования. вимірювання вихрострумовий перетворювач феромагнітний

Проанализированы методы уменьшения влияния фликкер-шума на измерения - метод использования компенсационного канала и метод использования частоты коммутации модулятора намного большей частоты сравниваемых сигналов. В результате анализа предложена структура низкочастотного канала вихретокового толщиномера стальных листовых конструкций с частотой коммутации намного большей частоты сравниваемых сигналов с использованием балансной модуляции, в которой влияние фликкер-шума сведено до уровня меньшего, чем влияние белого шума.

Для предложенной структуры оценены погрешность, вызванная расстройкой полосового фильтра балансного модулятора, погрешность, вызванная нелинейными искажениями напряжения питания параметрического вихретокового преобразователя, погрешность неидентичности обмоток параметрического вихретокового преобразователя, погрешность, обусловленная нелинейностью вихретокового метода, погрешность, обусловленная остаточным напряжением электронных ключей. Установлен характер погрешностей, рассмотрены способы их уменьшения, проанализированы способы реализации функционального преобразования для компенсации нелинейности метода. Также проанализированы способы повышения быстродействия предложенной структуры.

Приведены результаты компьютерного моделирования и экспериментальных исследований предложенной структуры. Описана реализация её основных узлов.

Ключевые слова: толщиномер, вихретоковый метод, низкочастотный канал, фликкер-шум, метод использования частоты коммутации намного большей частоты сравниваемых сигналов.



ANNOTATION

Ferchuk K.V. Methods and means of parameters improvement of eddy current sheet steel constructions thickness meter low frequency channel. - Manuscript.

Thesis for candidate of technical sciences degree in speciality 05.11.05 - Devices and methods of electrical and magnetic quantities measurement. - National university “Lvivska Politechnika”, Lviv, 2009.

The thesis is dedicated to the methods and means of parameters improvement research of the structure of low frequency channel of eddy current sheet steel constructions thickness meter. Signals of parametric eddy current converter during it interaction to measurable object and their subsequent transformation as well as flicker noise influence decreasing methods in the measurement devices with periodical comparison are analyzed. The structure of thickness meter low frequency channel is proposed based on the analysis. The flicker noise influence is decreased to the value lower than white noise influence in the structure. The appeared in the structure errors are evaluated. The flicker noise source model based on the white noise source model to using in the computer simulation systems is proposed.

Key words: thickness meter, eddy current method, low frequency channel, flicker-noise, the method of switching frequency that is considerably higher than frequency of comparable signals.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. При обстеженні корозійного стану важливих сталевих листових конструкцій (мости, трубопроводи, резервуари паливно-мастильних матеріалів, елементи захисних укриттів в радіоактивних зонах) бажаним є безконтактний товщиномір сталевих листів. При створенні такого товщиноміра можуть бути використані різні методи діагностики. Вимозі безконтактності найбільше відповідає вихрострумовий метод. Вихрострумовий товщиномір доцільно виконувати за двоканальною структурою, в якій один канал є низькочастотним, а другий - високочастотним. Низькочастотний канал здійснює вимірювання товщини сталі. При цьому на результат вимірювання має місце вплив щілини між вихрострумовим перетворювачем та вимірюваним листом. Оскільки глибина проникнення електромагнітної хвилі в матеріал об'єкта вимірювання зменшується зі збільшенням частоти, робоча частота високочастотного каналу вибирається достатньо високою для того, щоб його вихідний сигнал реагував практично тільки на щілину. Тому високочастотний канал можна використати для компенсації впливу щілини. Таким чином метрологічні характеристики товщиноміра визначаються в першу чергу низькочастотним каналом.

Вихрострумовий перетворювач товщиноміра приймає вторинне поле, індуковане вихровими струмами, яке несе в собі інформацію про товщину вимірюваного металу. При цьому інформативний сигнал на низьких частотах є дуже низького рівня. Відповідно на нього накладаються різного роду шуми, з яких найбільший вплив у низькочастотному діапазоні має флікер-шум. Японські вчені Ямада Т., Сузукі І. досягли максимальної вимірюваної товщини сталі вихрострумовим методом 2-3 мм. Бучма І.М., Бучма О.І., Столярчук П.Г. зменшенням робочої частоти досягли максимальної вимірюваної товщини 10-12 мм з порогом чутливості 2 мм. Практичне застосування вимагає зменшення порогу чутливості. Створення низькочастотного каналу з низьким порогом чутливості є важкою задачею. Таким чином дослідження, направлені на розроблення низькочастотного каналу електромагнітного товщиноміра і підвищення його точності, є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст дисертаційної роботи складають результати теоретичних та практичних розробок, проведених автором при виконанні робіт в рамках напрямку наукових досліджень ДБ „ТОМ” „Формування теоретичних і нормативних засад, розроблення нетрадиційних методик та засобів оцінювання рівня якості продукції” (Наказ Міністерства освіти і науки України від 27.10.2006р. №732 0107U001110), що виконується на кафедрі Метрології, стандартизації та сертифікації Національного університету „Львівська політехніка”.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є розроблення структури низькочастотного каналу вихрострумового товщиноміра сталевих листових конструкцій, яка дозволить зменшити поріг чутливості вимірювання порівняно з існуючими вихрострумовими засобами.

Для реалізації цієї мети у роботі поставлено такі завдання:

- проаналізувати існуючі засоби вимірювання товщин сталевих листових конструкцій вихрострумовим методом та основні фактори, що обмежують їх точність;

- провести порівняльний аналіз чутливості параметричного та трансформаторного вихрострумових перетворювачів;

- дослідити вплив товщини сталевого листа на внесений у вимірювальну обмотку вихрострумового перетворювача комплексний опір;

- розробити джерело флікер-шуму для комп'ютерного моделювання;

- проаналізувати методи зменшення впливу флікер-шуму в засобах вимірювання з періодичним порівнянням і на основі найбільш оптимального з них розробити структуру низькочастотного каналу товщиноміра;

- визначити основні джерела похибок у розробленій структурі та характер цих похибок;

- провести комп'ютерне моделювання та експериментальні дослідження низькочастотного каналу товщиноміра для перевірки результатів, отриманих теоретично.

Об'єктом дослідження є вимірювання товщин сталевих листових конструкцій вихрострумовим методом.

Предметом дослідження є методи та засоби покращення параметрів низькочастотного каналу вихрострумового товщиноміра сталевих листових конструкцій, зокрема зменшення порогу чутливості.

Методи дослідження: математичне моделювання вузлів та структур засобів вимірювання товщин сталевих листових конструкцій та похибок, інтегральне числення, чисельні методи; комп'ютерне моделювання впливу флікер-шуму та перехідних процесів у відомих та запропонованих структурах; фізичне моделювання запропонованої структури низькочастотного каналу товщиноміра.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. На підставі проведеного порівняльного аналізу чутливості параметричного та трансформаторного вихрострумових перетворювачів вперше показано, що на низьких частотах чутливість параметричного вихрострумового перетворювача у два рази вища, ніж трансформаторного.

2. Розроблено теоретичні підстави комп'ютерного моделювання джерела низькочастотного шуму на основі джерела білого шуму.

3. На підставі проведеного теоретичного дослідження встановлено, що при взаємодії вимірювальної обмотки вихрострумового перетворювача зі сталевим листом внесений у неї індуктивний опір є набагато більшим від внесеного активного опору і нелінійно залежить від товщини сталевого листа.

4. Теоретично встановлено, що для амплітудно модульованого сигналу, отриманого з вихідних напруг параметричного вихрострумового перетворювача на низьких частотах, амплітуди бічних смуг лінійно залежать від внесеного індуктивного опору.

5. Показано, що похибки від нелінійних спотворень напруги живлення параметричного вихрострумового перетворювача та розлаштування смугових фільтрів низькочастотного каналу товщиноміра мають мультиплікативний характер, тому не обмежують порогу чутливості товщиноміра.

6. Оцінено адитивні складові похибки від неідентичності параметрів обмоток параметричного вихрострумового перетворювача, показано, що їх можна зменшити підбором індуктивностей обмоток та симетруванням активних опорів обмоток ввімкненням паралельних або послідовних резисторів.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Вперше запропоновано та експериментально досліджено структуру низькочастотного каналу, в якому шляхом застосування частоти комутації набагато більшої від частоти порівнюваних сигналів зменшено вплив флікер-шуму до рівня меншого, ніж вплив білого шуму. Встановлено, що адитивна похибка, зумовлена шумами, не перевищує 0,2 мм в діапазоні від 0 до 8,5 мм. На основі реалізованої структури може бути побудований товщиномір для практичного використання з меншим порогом чутливості порівняно з відомими вихрострумовими засобами.

2. На основі комп'ютерного моделювання підтверджено, що при використанні компенсаційного тракту у низькочастотному каналі товщиноміра є можливість зменшити вплив флікер-шуму приблизно на порядок.

Особистий внесок здобувача. Всі експериментальні та значна частина теоретичних досліджень виконані автором самостійно. В друкованих працях, опублікованих у співавторстві, автору дисертації належать: в [1, 8] - ідея апроксимації бажаної характеристики ламаною та варіанти її реалізації, в [2, 10] - побудова моделей структурних елементів товщиноміра, придатних для реалізації при комп'ютерному моделюванні, дослідження ефективності зменшення впливу флікер-шуму за допомогою компенсаційного каналу на результат вимірювання, в [3, 4, 5, 6, 7, 9, 11] - дослідження перетворення сигналів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень оприлюднено на наступних науково-технічних конференціях та семінарах: XIII Konferencja Sieci i Systemy Informatyczne. Јуdџ, 13-14 paџdziernika, 2005, Politechnika Јуdzka (Польща); IX Konferencja Naukowa „Czujniki Optoelektryczne i Elektroniczne” COE-2006. Krakуw-Zakopane, 19-22 czerwca 2006 (Польща); XIII міжнародна конференція з автоматичного управління „Автоматика-2006” (Вінниця); XV міжнародний семінар метрологів „Методи і техніка перетворення сигналів при фізичних вимірюваннях МСМ'07” (Львів - Ряшів).

Публікації. За результатами виконання досліджень опубліковано 6 статей (з них 5 у фахових виданнях), 4 роботи в тезах конференцій, за результатами досліджень отримано патент України на корисну модель.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури та чотирьох додатків. Робота містить 48 рисунків, 7 таблиць. Роботу викладено на 170 сторінках друкованого тексту, з них 8 сторінок займають ілюстрації, 8 - список використаної літератури з 70 найменувань, 10 - додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи. Наведено відомості про її зв'язок із напрямом наукових досліджень. Сформульовано мету роботи, визначено об'єкт, предмет і завдання досліджень, наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів. Показано особистий внесок здобувача, відомості про публікації та апробацію роботи.

Перший розділ присвячено аналізу сучасних неруйнівних методів вимірювання товщин сталевих листових конструкцій. Зроблено висновок, що одним з найбільш перспективних безконтактних методів є вихрострумовий метод, який дозволяє здійснювати вимірювання при наявності антикорозійних покриттів. При вихрострумовому методі збільшення вимірюваної товщини металу досягається зменшенням робочої частоти вихрострумового перетворювача. Японські вчені Ямада Т., Сузукі І. експериментально встановили, що при частоті 5 Гц максимальна вимірювана товщина сталі складає 2-3 мм, інші дослідження показали, що при частоті 3 Гц цей показник складає 5 мм, а при частоті 1 Гц - 10-12 мм. Разом з тим на низьких частотах має місце низький рівень корисного сигналу і значний вплив флікер-шуму, який обмежує поріг чутливості вихрострумового товщиноміра. Зроблено висновок, що при застосуванні параметричного вихрострумового перетворювача інформативний сигнал доцільно виділяти за допомогою схем з періодичним порівнянням. Метод з періодичним порівнянням у вимірюваннях вперше почали використовувати Орнатський П.П., Скрипник Ю.О., Мізюк Л.Я., а згодом Піджарий В.М., Проць Р.В., Бріскін О.М., Бучма І.М, розвиток методу дозволив досягти високої точності та чутливості. Відомі декілька методів зменшення впливу флікер-шуму в засобах вимірювання з періодичним порівнянням. Серед них перспективними є метод компенсаційного каналу та метод використання частоти порівняння (комутації) набагато вищої від робочої частоти порівнюваних сигналів.

Відома схема низькочастотного каналу вихрострумового товщиноміра сталевих листових конструкцій, яка має наступні параметри: робоча частота 1 Гц, номінальна вимірювана товщина 10 мм, чутливість 0,04 В/мм, поріг чутливості 2 мм. Бажано мати поріг чутливості менше 0,5 мм.

Запропоновано проаналізувати методи зменшення впливу флікер-шуму і на основі найбільш оптимального з них розробити структуру низькочастотного каналу товщиноміра.

У другому розділі проаналізовано сигнали при вимірюванні товщини феромагнітного провідного матеріалу, а також розкрито та проаналізовано структурні рішення зменшення впливу флікер-шуму, що дозволяє зменшити поріг чутливості товщиноміра.

Проведено порівняльний аналіз чутливості вихрострумових перетворювачів параметричного (ПВСП) та трансформаторного (ТВСП). Показано, що різниця амплітуд напруг на обмотках ПВСП дорівнює

, (1)

де , - амплітуди напруг відповідно на вимірювальній та опорній обмотках ПВСП, - відносна похибка нерівності коефіцієнтів передачі напруги живлення дільником з обмоток при відсутності об'єкта вимірювання, - амплітуда напруги живлення ПВСП, - амплітуда напруги, спричиненої об'єктом вимірювання.

Різниця амплітуд напруг на вимірювальних обмотках ТВСП:

, (2)

де , - амплітуди напруг на вимірювальних обмотках ТВСП, , - коефіцієнти трансформації між збуджуючою і відповідно першою та другою вимірювальними обмотками, - амплітуда напруги живлення збуджуючої обмотки, - амплітуда напруги, спричиненої об'єктом вимірювання.

З порівняння виразів (1) та (2) видно, що ПВСП забезпечує вищу чутливість, ніж ТВСП, тому в подальшому розглядаються схеми тільки з ПВСП.

Теоретично визначено, що для об'єктів вимірювання з феромагнітних металів на низьких частотах уявна складова внесеного у вимірювальну обмотку опору є додатною, а її величина є набагато більшою, ніж величина дійсної складової. При цьому уявна складова внесеного опору є функцією товщини металу, що асимптотично прямує до деякого скінченного значення при прямуванні товщини до нескінченності. Ця функція в загальному випадку є нелінійною і її нелінійність збільшується при збільшенні відносної магнітної проникності вимірюваного металу.

Для порівняння сигналів при використанні методу періодичного порівняння використовується модулятор. Напруга на виході модулятора в цьому випадку описується виразом:

, (3)

де - коефіцієнт підсилення диференціального підсилювача модулятора, , - амплітуди напруг відповідно на вимірювальній та опорній обмотках ПВСП, , - початкові фази напруг відповідно на вимірювальній та опорній обмотках ПВСП, - кругова частота напруги живлення ПВСП (робоча частота ПВСП), - кругова частота модуляції модулятора,

, (4)

, (5)

E - амплітуда напруги живлення ПВСП, , - власні активні опори відповідно вимірювальної та опорної обмоток ПВСП, , - власні індуктивності відповідно вимірювальної та опорної обмоток ПВСП, - внесена індуктивність вимірювальної обмотки ПВСП, спричинена об'єктом вимірювання.

При , , чого намагаються досягнути в ПВСП, (4) набуде вигляду:

. (6)

На низьких частотах виконуються умови:

,. (7)

Тому в знаменнику (6) можна знехтувати. Тоді амплітуда другого доданку в (3) пропорційна до зміни індуктивності вимірювальної обмотки . Показано, що при виконанні умов (7), вираз (5) зводиться до

, (8)

де - початкова фаза напруги живлення ПВСП.

Таким чином, якщо сигнал з ПВСП пропускати через модулятор, то можна отримати сигнал, амплітуди бічних смуг якого лінійно залежить від зміни уявної складової внесеного у вимірювальну обмотку опору, а їхні початкові фази протилежні за знаком одна до одної та прямують за модулем до початкової фази напруги живлення ПВСП.

Для дослідження відомих і нових структур шляхом комп'ютерного моделювання розроблено теоретичні підстави та варіанти реалізації моделі джерела флікер-шуму для комп'ютерного моделювання, оскільки готові моделі джерела флікер-шуму відсутні у стандартних бібліотеках навіть потужних систем комп'ютерного моделювання. Відомо, що флікер-шум можна отримати з білого шуму (модель білого шуму є в стандартних бібліотеках систем комп'ютерного моделювання), здійснивши його інтегрування порядку 0,5. Таке перетворення відповідає ланці, логарифмічна амплітудно-частотна характеристика (ЛАЧХ) якої має нахил -10 дБ/дек, в той час як типові ланки систем керування та їх сполучення можуть мати нахили з дискретністю 20дБ/дек. Однак за допомогою таких ланок можна побудувати наближену ЛАЧХ перетворювача білого шуму у флікер-шум почергово комбінуючи ділянки ЛАЧХ з нахилом 0 і -20 дБ/дек. Відомо, що для ланки, ЛАЧХ якої є ламаною з дискретністю нахилів 20дБ/дек, можна наближено подати її передатну функцію, записуючи для кожної точки зміни нахилу вираз в знаменник, якщо нахил ЛАЧХ зменшується на 20 дБ/дек, або в чисельник, якщо нахил ЛАЧХ збільшується на 20дБ/дек, де , - кругова частота точки зміни нахилу, k - натуральне число. Таким чином передатну функцію перетворювача білого шуму у флікер-шум можна подати двома варіантами:

(9)

, (10)

де , K - коефіцієнт передачі перетворювача на частоті - нижній круговій частоті діапазону, на якому моделюється флікер-шум, - стала часу інтегрування, що визначає розташування наближеної характеристики перетворювача. При використанні виразу (9) ЛАЧХ перетворювача на частотах нижчих частоти буде мати нахил 0 дБ/дек, а при використанні виразу (10) - нахил -20 дБ/дек. Середньоквадратична похибка апроксимації у смузі частот дорівнює

, (11)



де , - відповідно нижня і верхня кругові частоти діапазону апроксимації, , - відповідно бажана та апроксимована амплітудно-частотні характеристики перетворювача білого шуму у флікер-шум.

Похибка апроксимації зменшується зі збільшенням кількості ділянок апроксимації на декаді. В роботі показано, що якщо використовувати 4 ділянки апроксимації на декаді, то середньоквадратична похибка апроксимації у смузі частот, в якій здійснюється апроксимація, складає 25%. Оскільки частота спряження білого і флікер-шуму складає 1000500 Гц, тобто 1000 Гц50%, то при розрахунковій частоті спряження 1000 Гц середньоквадратична похибка моделювання джерела флікер-шуму за виразами (9) і (10) не перевищує похибку допустимого відхилення, а отже є прийнятною для моделювання.

На основі розробленого джерела флікер-шуму здійснено комп'ютерне моделювання впливу флікер-шуму на відому схему низькочастотного каналу товщиноміра без компенсаційного каналу. Результати комп'ютерного моделювання впливу флікер-шуму на цю схему є близькими до відомих експериментальних даних, що дозволяє використати джерело флікер-шуму для моделювання впливу флікер-шуму на інші схеми.

Проведено комп'ютерне моделювання низькочастотного каналу товщиноміра з компенсаційним каналом, схема якого відома, але не досліджувалася раніше. Встановлено, що для товщиноміра з малим співвідношенням робочої частоти і частоти комутації, низькою робочою частотою, наявністю детектора на елементах пам'яті метод використання компенсаційного каналу дозволяє знизити вплив флікер-шуму приблизно на порядок при виконанні компенсаційного каналу з ідентичністю 10% до основного каналу, як і в класичних засобах з періодичним порівнянням. Недоліком рішення з компенсаційним каналом є відносна складність схеми.

Досліджено метод використання частоти комутації набагато вищої від частоти порівнюваних сигналів. Проаналізовано перетворення сигналів при використанні даного методу з балансною модуляцією, яка, як відомо, забезпечує вищу завадостійкість, ніж звичайна амплітудна модуляція. Для детектування балансно модульованого сигналу використано додатковий синхронний детектор, що також збільшує завадостійкість. На основі цього аналізу запропоновано структуру низькочастотного каналу товщиноміра, що реалізує даний метод. На рис. 2 використані позначення: Г - генератор прямокутних імпульсів, ПЧ - подільник частоти, СФ1, СФ2 - смугові фільтри, ПП - підсилювач потужності, ПВСП - параметричний вихрострумовий перетворювач, , - відповідно вимірювальна та опорна обмотки ПВСП, М - модулятор, К1, К2 - комутатори, ДП - диференціальний підсилювач, СД1, СД2 - синхронні детектори, П - підсилювач змінного струму, І - індикатор.

Вихідна напруга пристрою описується виразом:

, (12)

де - коефіцієнт передачі смугового фільтра СФ2 у смузі пропускання, , - коефіцієнти передачі фільтрів відповідно першого та другого синхронних детекторів в околі відповідно робочої частоти ПВСП та нульової частоти, - коефіцієнт передачі підсилювача П.

Таким чином згідно з (12) та (6) на виході пристою отримується напруга постійного струму, яка лінійно залежить від зміни індуктивності вимірювальної обмотки. Запропонована структура є простішою від структури з компенсаційним каналом.

Визначено, що складова з частотою , яка виникає у вихідному синхронному детекторі і проходять на вихід пристрою, є джерелом мультиплікативної похибки, яка дорівнює



, (13)

де - коефіцієнт передачі вихідного фільтра другого синхронного детектора на частоті .

Третій розділ присвячено аналізу основних похибок, джерелами яких є складові структури низькочастотного каналу товщиноміра, наведеної на рис. 2, а також оцінці швидкодії. Після зменшення впливу флікер-шуму точність вимірювання товщини металу буде визначатися похибками елементів структури товщиноміра, а також похибкою нелінійності вихрострумового методу.

Проведено аналіз похибки від розлаштування смугового фільтра балансного модулятора. Отримано вираз для цієї похибки:

, (14)

де , - коефіцієнти передачі смугового фільтра СФ2 на частотах відповідно і , , - фазові зсуви фільтра СФ2 на частотах відповідно і ,

.

Проведено аналіз похибки від нелінійних спотворень напруги живлення ПВСП. Отримано вираз для цієї похибки:

, (15)



де , - коефіцієнти передачі фільтра СФ1 на частотах та відповідно, , - коефіцієнти передачі смугового фільтра СФ2 на частотах та відповідно, , - коефіцієнти передачі фільтра синхронного детектора СД1 на частотах та відповідно.

З виразів (14), (15) видно, що значення похибок не залежать від величини вимірюваного сигналу, а визначаються параметрами схеми, а отже похибка від розлаштування смугового фільтра балансного модулятора та похибка від нелінійних спотворень, які обумовлені вищими гармоніками, що залишаються при виділенні першої гармоніки з прямокутних імпульсів, мають мультиплікативний характер і не обмежують поріг чутливості товщиноміра. Задавшись величинами цих похибок можна розрахувати відповідні вузли структури товщиноміра.

Неідентичність параметрів обмоток ПВСП також є джерелом похибки вимірювання. Причому, оскільки на низьких частотах індуктивний опір обмоток набагато менший від активного, то при однакових відносних різницях активних опорів та індуктивних опорів обмоток абсолютна різниця активних опорів є набагато більшою від абсолютної різниці індуктивних опорів і згідно з виразом (4) при відсутності об'єкта вимірювання на виході модулятора виникає напруга, яка визначається різницею активних опорів обмоток. Таким чином виникає адитивна похибка. Для зменшення впливу неідентичності використовується симетрування параметрів обмоток.

Симетрування може бути здійснено ввімкненням паралельних до обмоток комплексних опорів. Однак встановлено, що на низьких частотах значення ємностей в симетруючих комплексних опорах є неприйнятно великими і повинні змінюватись в широких межах, а інколи навіть може змінюватися характер реактивної складової симетруючого опору (з ємнісного на індуктивний). Отже симетрування паралельними комплексними опорами в даному випадку є недоцільним. Загальним недоліком схем ПВСП з симетруванням за допомогою паралельних опорів є також збільшення струму споживання, що збільшує вимоги до підсилювача, який живить ПВСП.

Іншим варіантом симетрування є використання симетруючих опорів, що включені послідовно з обмотками. Причому, якщо наперед відомо, опір якої з обмоток більший, то симетруючий резистор може бути лише один. Ця схема дозволяє вирівняти активні опори, реактивні опори при цьому залишаються не вирівняними, а вираз (4) запишеться:

. (16)

Відносна похибка вимірювання при цьому дорівнює:

. (17)

Використання замість послідовних симетруючих опорів послідовних комплексних опорів в даному випадку є неприйнятним, оскільки при зменшенні різниці між індуктивностями обмоток значення ємності в симетруючому опорі прямує до нескінченності.

Таким чином для зменшення адитивної похибки (17) необхідно здійснювати підбір обмоток ПВСП за значеннями їхніх індуктивностей (при виконанні експериментальної частини роботи було здійснено підбір індуктивностей резонансним методом з точністю 2%), після чого здійснювати симетрування активних опорів.

Однак найбільший внесок дає похибка, спричинена нелінійністю вихрострумового методу. Встановлено, що ця похибка є неприйнятно великою для точних вимірювань навіть при використанні окремих ділянок характеристики. ЇЇ можна зменшити, використовуючи нелінійну шкалу вимірювального приладу або здійснюючи функціональне перетворення за функцією оберненою до характеристики, поданої на рис.1. Оскільки характеристика (рис. 1) є функцією, що починається в початку координат і монотонно зростає до певного значення, причому її похідна є максимальною на початку і монотонно спадає, прямуючи до нуля при збільшенні аргументу до нескінченності, зроблено висновок, що вона є близькою до гіперболічної функції вигляду:

, (18)

де A, B, C - деякі константи.

Функція, обернена до апроксимуючої функції (18), має вигляд:

. (19)

Відносна похибка вимірювання при компенсації нелінійності перетворенням за функцією оберненою до характеристики дорівнює:

, (20)

де - товщина об'єкта вимірювання, - виміряна товщина об'єкта вимірювання, отримана при лінеаризації характеристики.

Графік залежності модуля відносної похибки вимірювання на частоті 1 Гц від товщини вимірюваного металу з відносною магнітною проникністю =100 при функціональному перетворенні за функцією оберненою до характеристики, апроксимованої гіперболічною функцією, для вимірювальної обмотки радіусом 0,05 м наведений на рис. 3а. Як видно з рис. 3а відносна похибка нелінійності не перевищує 4,5% при товщинах від 0,1 до 17 мм і не перевищує 3% при товщинах від 0,1 до 10 мм.

Іншим підходом є функціональне перетворення за допомогою кусково-лінійної апроксимації. Похибка нелінійності зменшується при зростанні кількості ділянок апроксимації і для вимірювальної обмотки радіусом 0,05 м при значенні відносної магнітної проникності вимірюваного металу =100 на частоті 1 Гц при десяти ділянках є меншою 5% при товщинах більших 0,4 мм (рис.3б). Збільшуючи кількість ділянок апроксимації можна досягти бажаної точності перетворення.

Оскільки характеристики ПВСП для різних значень є різними (рис. 1), при функціональному перетворенні необхідно мати окремі функціональні перетворювачі для матеріалів з різними .

Проаналізовано похибку, спричинену залишковою напругою електронних ключів. При використанні КМОН ключів значення відносної похибки може бути зведено до рівня нижчого 1% в діапазоні товщин 0,1-17,5 мм.

Виявлено, що основними вузлами товщиноміра, що обмежують його швидкодію є фільтри синхронних детекторів. Показано, що вихідний сигнал практично не зміниться, якщо вилучити вихідний фільтр синхронного детектора СФ1. Збільшити швидкодію можна також шляхом перенесення сигналу в область високих частот, але це суттєво ускладнює схему.

Четвертий розділ присвячено експериментальній перевірці запропонованих технічних рішень. Описані основні вузли принципової електричної схеми, яка реалізує запропоновану структуру і використовувалась в експерименті. Робоча частота схеми 1 Гц, частота комутації 2048 Гц. Використовувалися обмотки ПВСП радіусом 0,05 м та висотою 0,02 м з кількістю витків 2100, активним опором 230 Ом та індуктивністю 0,55 Гн. Використовувалися сталеві листи різної товщини від 0,5 до 9,5 мм. Форма характеристики близька до розрахованої, це підтверджується тим, що коефіцієнт кореляції між розрахованою і апроксимованою експериментально отриманою характеристиками складає 0,9996. Це означає, що теоретична оцінка методів зменшення похибки нелінійності розповсюджуються і на експериментально отримані результати.

Для зменшення похибки нелінійності добре підходить функціональне перетворення за функцією, оберненою до гіперболічної. Схема є відносно складною через необхідність виконання операції ділення.

Іншим варіантом може бути використання кусково-лінійної апроксимації. На основі теоретичних даних в діапазоні товщин від 0,4 до 10 мм при кусково-лінійній апроксимації 8 ділянками похибка нелінійності не перевищує 5%.

Крім того може бути застосована нелінійна шкала вимірювального приладу.

Результат експериментального дослідження нестабільності вихідної напруги низькочастотного каналу товщиноміра при відсутності об'єкта вимірювання.

Чутливість схеми в кінці діапазону вимірювання на основі точок, що відповідають товщинам 8 та 8,5 мм (точки, що відповідають товщинам 8,5 та 9,5 мм не можна використати, оскільки їх ординати мають однакові значення) становить 0,02 В/мм, що перевищує отриману експериментально амплітуду нестабільності в 5 разів. Чутливість схеми на початку діапазону вища і на проміжку товщин між 0,5 та 1 мм за даними рис. 4 становить 0,26 В/мм, що перевищує отриману експериментально амплітуду нестабільності в 65 разів. Таким чином поріг чутливості не перевищує 0,0002 м, тобто досягнуто зниження порогу чутливості приблизно на порядок порівняно з відомою схемою.



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв'язано актуальну науково-технічну задачу вдосконалення низькочастотного каналу вихрострумового товщиноміра шляхом підвищення його метрологічних характеристик і параметрів, зокрема за рахунок зменшення впливу флікер-шуму. Запропоновано та досліджено структуру товщиноміра сталевих листових конструкцій, яка дозволяє зменшити вплив флікер-шуму до рівня нижчого, ніж вплив білого шуму.

Основні результати роботи полягають у наступному:

1. Проведено порівняльний аналіз чутливості параметричного та трансформаторного вихрострумових перетворювачів, показано, що чутливість параметричного вихрострумового перетворювача у два рази вища, ніж трансформаторного.

2. Розроблено теоретичні підстави та практично реалізовано придатне для комп'ютерного моделювання джерело флікер-шуму на основі джерела білого шуму шляхом апроксимації бажаної амплітудно-частотної характеристики перетворювальної ланки ламаною кривою.

3. Теоретично досліджено вплив товщини сталевого листа на внесений опір вимірювальної обмотки параметричного вихрострумового перетворювача. Встановлено, що на низьких частотах в цьому випадку внесений індуктивний опір є набагато більшим від внесеного активного опору і нелінійно залежить від товщини.

4. Проаналізовано перетворення вихідних сигналів параметричного вихрострумового перетворювача в модуляторі на низьких частотах. Встановлено, що при модуляції сигналів параметричного вихрострумового перетворювача формується сигнал, амплітуди бічних смуг якого лінійно залежать від внесеного індуктивного опору.

5. На основі проведеного комп'ютерного моделювання впливу флікер-шуму на структуру низькочастотного каналу з аналогічним компенсаційним трактом підтверджено, що при виконанні компенсаційного тракту з похибкою неідентичності 10% вплив флікер-шуму зменшується приблизно на порядок.

6. Вперше запропоновано і теоретично та експериментально досліджено структуру низькочастотного каналу товщиноміра, в якому завдяки застосуванню частоти комутації набагато більшої від частоти порівнюваних сигналів зменшено вплив флікер-шуму приблизно на три порядки, тобто до рівня меншого, ніж вплив білого шуму. Отримано експериментальні характеристики низькочастотного каналу. Встановлено, що адитивна похибка зумовлена шумами не перевищує 0,2 мм в діапазоні від 0 до 8,5 мм.

7. Оцінено похибки від нелінійних спотворень напруги живлення параметричного вихрострумового перетворювача та розлаштування смугових фільтрів структури низькочастотного каналу товщиноміра. Встановлено, що вони є мультиплікативними і, таким чином, не обмежують поріг чутливості низькочастотного каналу.

8. Проаналізовано вплив неідентичності обмоток параметричного вихрострумового перетворювача на похибку вимірювання на низьких частотах. Визначено, що ця похибка є адитивною, причому складова похибки зумовлена неідентичністю активних опорів практично є набагато більшою, ніж складова похибки, зумовлена неідентичністю індуктивних опорів. Показано, що симетрування активних опорів обмоток параметричного вихрострумового перетворювача доцільно робити за допомогою послідовно з'єднаних з обмотками резисторів.

9. Проаналізовано похибку нелінійності вихрострумового методу, визначено, що необхідне застосування оберненого до характеристики функціонального перетворення. При апроксимації характеристики експоненціальною функцією третього порядку відносна похибка нелінійності не перевищує 12% при товщинах більших 2 мм і 6% при товщинах більших 3 мм, при використанні кусково-лінійної апроксимації з 10 ділянками апроксимації відносна похибка нелінійності не перевищує 5% при товщинах від 0,4 мм до 17,5 мм, з 8 ділянками апроксимації відносна похибка нелінійності не перевищує 5% при товщинах від 0,4 мм до 10 мм, при використанні апроксимації гіперболічною функцією відносна похибка нелінійності не перевищує 4,5 % при товщинах від 0,1 мм до 17 мм і не перевищує 3% при товщинах від 0,1 мм до 10 мм.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бучма І.М. Моделювання джерела флікер-шуму в системах комп'ютерної математики / Бучма І.М., Ферчук К.В. // Автоматика, вимірювання та керування. - 2005. - №530. - с.79-83.

2. Бучма І.М. Дослідження ефективності методу компенсації впливу флікер-шуму в низькочастотному каналі вихрострумового вимірювача товщин сталевих листових матеріалів / Бучма І.М., Ферчук К.В. // Методи та прилади контролю якості. - 2006. - № 16. - с. 3-8.

3. Бучма І.М. Математичне моделювання модулятора сигналів параметричного вихрострумового перетворювача / Бучма І.М., Ферчук К.В. // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2007. - № 67 - с.73-77.

4. Бучма І.М. Математичне моделювання сигналів у низькочастотному каналі вихрострумового товщиноміра сталевих листових конструкцій / Бучма І.М., Ферчук К.В. // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2008. - № 68. - с.20-24.

5. Бучма І.М. Вплив розлаштування смугового фільтра несучої частоти на точність вихрострумового товщиноміра сталевих листових конструкцій / Бучма І.М., Ферчук К.В. // Комп'ютерні технології друкарства. - 2008. - №19. - с.161-167.

6. Пат. на корисну модель 20130 Україна, МПК (2006) G01N27/90. Пристрій для вихрострумового контролю / Бучма І.М., Ферчук К.В.; заявник і власник патенту Національний ун-т "Львівська політехніка". - № u200607436; заявл.04.07.2006; опубл.15.01.2007, Бюл. № 1.

7. I. Buchma. Przetworniki wiropr№dowe parametryczne i transformatorowe do badaс nieniszcz№cych / I. Buchma, M. Wrzuszczak, K. Ferczuk // Wiadomoњci elektrotechniczne. - 2007. - 03. - s. 22-24.

8. Buczma I. Zasada implementacji џrуdіa flikier-szumu w systemach matematyki komputerowej / Buczma I., Ferczuk K. // XIII Konferencja „Sieci i Systemy Informatyczne” Јуdџ, paџdziernik 2005. - 2005. - s.397-403.

9. Buchma Ihor. Analiza czujnika wiropr№dowego transformatorowego / Buchma Ihor, Ferchuk Konstantyn, Wrzusczak Janusz, Wrzuszczak Maria // IX Konferencja Naukowa “Czujniki Optoelektroniczne i Elektroniczne” COE-2006 Krakьw-Zakopane, 19-22 czerwca 2006. - 2006. - s. 185-188.

10. Бучма І.М. Ефективність методу компенсації впливу флікер-шуму в низькочастотному каналі вихрострумового вимірювача товщин сталевих листових конструкцій / Бучма І.М., Ферчук К.В. // XIII Міжнародна конференція з автоматичного управління (Автоматика-2006). Тези доповідей тринадцятої міжнародної науково-технічної конференції. м. Вінниця, 25-28 вересня 2006 року. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2006. - с. 170.

11. Бучма І.М. Математичне моделювання сигналів у низькочастотному каналі вихрострумового товщиноміра сталевих листових конструкцій / Бучма І.М., Ферчук К.В. // XV міжнародний семінар метрологів „Методи і техніка перетворення сигналів при фізичних вимірюваннях МСМ'07”. Львів - Ряшів, 24-27 вересня 2007р. Тези доповідей. - 2007. - с. 30.

Размещено на Allbest.ru