Національний університет " Львівська політехніка "

Бубела Тетяна Зіновіївна

УДК 006.015.2

Достандартизаційні дослідження методу

контролю якості термоелектродного дроту

05.01.02 – Cтандартизація та сертифікація

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі “Метрологія, стандартизація та сертифікація” Національного університету " Львівська політехніка " Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Столярчук Петро Гаврилович, завідувач кафедри “Метрологія, стандартизація та сертифікація” Національного університету “Львівська політехніка”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Поджаренко Володимир Олександрович, кафедра “Метрологія та промислова автоматика” Державного технічного університету Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри (м.Вінниця)

кандидат технічних наук, доцент Чирка Михайло Іванович, кафедра “Інформаційні обчислювальні системи і управління” інституту комп’ютерних інформаційних технологій Тернопільської академії народного господарства, доцент кафедри, заступник директора інституту(м.Тернопіль)

Провідна установа: Державний науково-дослідний інститут “Система”, науково-дослідний відділ розробки методичних, технічних та організаційних основ метрологічної атестації та вимірювально-інформаційних систем та автоматизованих систем керування технологічними процесами, м.Львів.

Захист відбудеться “29” листопада 2002р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті "Львівська політехніка", 79013, Львів, вул. С.Бандери 12, ауд. 226 головного корпусу.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" (79013, Львів, вул.Професорська,1).

Автореферат розісланий 29 жовтня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Луцик Я.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Актуальність дослідження термоелектричної неоднорідності (ТЕН) матеріалів визначається існуванням в цій області серйозних проблем як наукового, так і прикладного характеру. Прикладні проблеми пов’язані із зростаючим значенням застосування термоелектричних перетворювачів для вимірювання температури. Майже 60% температурних вимірювань проводиться за допомогою термоелектричних термометрів. Термоелектрична стабільність їх чутливих елементів значною мірою забезпечується якістю термоелектродних матеріалів. Термоелектрична однорідність є характеристикою якості термоелектродного дроту і підлягає глибокому аналізу. Оскільки наявна нормативна база має в розпорядженні лише один стандартизований метод випробувань на термоелектричну неоднорідність (метод “двох середовищ”), який є достатньо трудомістким і таким, що сам може призвести до виникнення неоднорідності внаслідок термоудару, то необхідно створити альтернативну методику контролю якості термоелектродного дроту, яка би не містила вищеназваних недоліків. В зв’язку з цим виникає потреба у розробці нормативної бази для здійснення неруйнівного контролю якості конструкційних матеріалів, яка мала би забезпечити контроль термоелектродного дроту під час його виготовлення та в процесі його експлуатації.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає проблемам, над розв’занням яких працює кафедра, а саме проблемам забезпечення якості. Так, протягом ряду років працівники кафедри займаються розробкою оптимальних засобів для вимірювання температури, дослідженням теплових явищ, поведінки термоелектродних матеріалів у екстремальних умовах їх експлуатації, контролем температурних режимів технологічних процесів. Тема даної дисертаційної роботи дозволяє доповнити тематику кафедри, розширити пізнання в області дослідження залежності електричних властивостей термоелектродних матеріалів від їх структурного та хімічного складу, з метою забезпечення якості конструкційних матеріалів на стадії їх виготовлення та експлуатації. Основні результати роботи були використані при розробці держбюджетої теми “Достандартизаційні дослідження нових методів та засобів метрологічного забезпечення випробовувань і контролю фізико-механічних і хімічних властивостей сучасних матеріалів та діагностика виробів і складних систем з їх застосуванням” за фаховим напрямом “Метрологія, стандартизація та сертифікація, затвердженого наказом Міносвіти України від 13.02.97р. № 37 “Про затвердження координаційних планів науково-дослідницьких робіт на 1997-1999 роки”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методики неперервного контролю якості термоелектродного дроту на стадії його виготовлення. Задачі даної роботи можна сформулювати наступним чином:

- доведення необхідності створення альтернативної методики контролю якості термоелектродного дроту шляхом порівняльного аналізу існуючих методів та стандартизованих методик;

- теоретичне обгрунтування основної ідеї контролю шляхом взаємозв’язку між електрокінетичними властивостями термоелектродних матеріалів; вибір параметрів контролю;

- експериментальне дослідження термоелектричної неоднорідності матеріалів та виявлення характерних зв’язків між електричною провідністю і термоелектрорушійною силою (т.е.р.с.) для термопарних матеріалів;

- розробка моделей та методик проведення контролю неоднорідності серійних термоелектродних матеріалів з метою подальшої їх стандартизації.

Об’єктом дослідження є термоелектродні матеріали, стандартні методи контролю якості яких важко реалізуються та є обмежені в масштабах зони контролю.

Предметом дослідження є методи неруйнівного контролю якості термоелектродного дроту, синтез структурних рішень, направлених на створення устав для реалізації даного методу.

Методи дослідження. Теоретичний аналіз, що проводився в дисертаційній роботі, базується на вирішенні краєвих задач про поле витка зі змінним струмом, що охоплює протяжний циліндричний об’єкт. Використовуються положення теорії пружності та пластичності матеріалів а також викладки теорії електронної провідності. Задіяно використання програмних засобів (ЕОМ). Експериментальні дослідження проводились за допомогою устави FPZ 10/1, вихорострумового дефектоскопу Ferster. Електричний опір на постійному та змінному струмах вимірювався уставами з використанням мостових схем. З метою підтвердження наявності в досліджуваному дроті неоднорідності фізичного та хімічного типів проведено відповідно металографічний та спектральний аналіз.

Наукова новизна одержаних результатів. Основні наукові результати можна сформулювати наступним чином:

-виконано узагальнення результатів наукових та практичних досліджень термоелектричної неоднорідності термоелектродних матеріалів;

-вперше запропоновано оцінювати термоелектричну неоднорідність термоелектродного дроту за його електричними характеристиками;

-обгрунтовано оптимальність застосування вихорострумового методу для визначення електричних властивостей стопу, який забезпечує проведення неперервного контролю термоелектродного дроту;

-виявлено характерні зв’язки між електричними та термоелектричними властивостями термоелектродних матеріалів;

-оцінено ваговий внесок у вихідний сигнал вихорострумового перетворювача впливних факторів;

-розроблено основні засади для створення стандартизованих методик контролю якості термоелектродного дроту вихорострумовими технічними засобами.

Практичне значення одержаних результатів. Експериментальні та теоретичні дослідження дозволяють вирішити питання реалізації оптимального методу контролю якості конструкційних матеріалів. Запропонований метод контролю термоелектричної неоднорідності дозволяє оцінювати якість термоелетродних матеріалів безконтактним способом за станом їх фізико-хімічних параметрів. Впровадження запропонованої методики створює передумови для переходу від лабораторних досліджень до налагодження виробничого процесу контролю термоелектродного дроту. Отримані результати дозволяють вирішувати завдання підвищення надійності вимірювання температури термоелектричними перетворювачами за рахунок забезпечення їх якісними конструкційними матеріалами.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно, а окремі досягнуті у співавторстві з науковим керівником та працівниками за місцем праці. У публікаціях, які написані у співавторстві дисертанту належать: обгрунтування оптимальності застосування вихорострумового методу для контролю однорідності термоелектродного дроту; аналіз багатопараметрових моделей відгуків систем неруйнівного контролю (НК) з метою виявлення характерних властивостей поверхонь відгуків і вибору зразків для відлагодження засобів НК; виявлення характерних зв’язків між електричними та термоелектричними властивостями термоелектродних матеріалів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на науково-технічних конференціях та семінарах:

- ІІ українська конференція з автоматичного управління “Автоматика – 95”, Львів, 1995р.

- І-st international modeling school-Krim Autumn 96, Alushta, Ukraine:

- “Современная контрольно-измерительная техника промышленных изделий и их сертификация (СКИТ-97)”, Мукачево, 1997р.

- Науково-практичний семінар “Концепція підготовки спеціалістів з якості”, Львів, 2002р.

Публікації. За результатами виконаних робіт опубліковано 10 робіт, чотири з них у фахових журналах.

Структура та обсяг робіт. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури та додатків. Робота викладена на 120 стор. машинописного тексту, містить 50 рисунків, 17 таблиць. Список літератури містить 97 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, вказано зв’язок роботи із науковими програмами та темами, сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі роботи зроблено огляд літературних даних, присвячених сучасному стану проблеми виявлення термоелектричної неоднорідності як показника якості термоелектродних матеріалів, відзначено важливість її контролю з метою забезпечення стабільності роботи термоелектричних перетворювачів. Проаналізовано причини виникнення ТЕН та характер їх прояву і здійснено їх класифікацію за наступними ознаками (рис.1):

1) за часом виникнення;

2) за характером прояву;

3) за природою виникнення.

Охарактеризовано переваги та недоліки існуючих методів виявлення термоелектричної неоднорідності. Найвагомішою проблемою реалізації цих методів є переміщення вздовж дроту неоднорідного температурного поля. При цьому для кожного з них є характерною своя форма температурного поля, наявність однієї чи двох перехідних зон і відповідно різна чутливість до неоднорідностей різних масштабів. Основним недоліком існуючих методів є неможливість оцінки ТЕН термоелектродного дроту безпосередньо під час його виготовлення. Контактність вимірювання ТЕН, використання досить складних устав створює значні труднощі при оцінюванні термоелектричної неоднорідності термоелектродних матеріалів. На даний момент існує єдиний стандартизований метод випробувань термоелектродного дроту, згідно якого ТЕН визначається методом “двох середовищ”. Оцінкою ТЕН в цьому методі виступає розмах т.е.р.с. на довжині досліджуваної ділянки дроту. Устави, які працюють на основі існуючих методів, мають ряд недоліків, пов’язаних з конструкцією, вибором матеріалу дроту, типом неоднорідності і не дозволяють контролювати термоелектричну неоднорідність на стадіях виготовлення дроту. Аналіз технологічних процесів виготовлення термоелектродного дроту показав, що дає підставу стверджувати, що основними причинами виникнення неоднорідності під час технологічного виготовлення термоелектродного дроту є пластична деформація, сторонні включення у стоп, явища впорядкування. Тому існує гостра необхідність контролю його негомогенності, що дозволить значно покращити метрологічні характеристики термоелектричних перетворювачів.

Дослідження впливу зміни хімічного складу термоелектродних стопів на їх т.е.р.с. показали, що існує оптимальне співвідношення між основними компонентами термоелектродного стопу. Щодо фізичної неоднорідності, то відзначено, що найхарактернішою причиною, що призводить до її виникнення, є пластична деформація. Доведено, що деформація сильно зменшує т.е.р.с. хромелю і навіть при малому її значенні виникає похибка у термопари, рівна кільком градусам. Т.е.р.с. алюмелю менш чутлива до деформації.

Сформульовані конкретні завдання, які слід розв’язати, стрижнем яких є розробка методики контролю якості термоелектродного дроту з метою подальшої її стандартизації.

Другий розділ роботи присвячений моделюванню процесу контролю якості термоелектродного дроту. Відзначено, що згідно теорії електронної провідності металів термоелектричні явища пов'язані з механізмом електронної провідності. З цією метою проаналізовано зв'язок між електропровідністю термоелектродних матеріалів та т.е.р.с., що дозволяє з заданою точністю контролювати зміну вже електричних параметрів. Для випадку виродженого електронного газу справджується формула Мотта, яка пов'язує абсолютний коефіцієнт т.е.р.с. S з електропровідністю :

, (1)

де S – абсолютний коефіцієнт т.е.р.с.; T – температура електронного газу; k – стала Больцмана; е – заряд електрона; - повна питома електропровідність; i -електропровідність чистого металу-розчинника; д -електропровідність, обумовлена розсіюванням провідності на домішках, - енергія електронного газу; - енергія Фермі.

Правило Матіссена порушується в реальних системах, а це призводить до значних відхилень від співвідношення (1). Сформульовано завдання: спираючись на експериментальні дослідження, виявити закономірності залежності між т.е.р.с. та електропровідністю термоелектродних матеріалів, що пов’язане з труднощами, викликаними складністю та подекуди неоднозначністю залежності "т.е.р.с. - склад стопу". Складність поведінки т.е.р.с. пов'язана з особливою чутливістю цієї властивості до змін структури металу.

Обгрунтовано вибір вихорострумового методу для оцінки електричних параметрів термоелектродних матеріалів, керуючись наступними критеріями:

- характером взаємодії фізичних полів чи речовин з об’єктом контролю;

- первинним інформативним параметром;

- способами отримання первинної інформації.

Для теоретичного аналізу прохідних перетворювачів з неоднорідним полем розглянуто задачу про розподіл електромагнітного поля витка радіусом RВ, по якому проходить змінний струм І частоти ,

, (2)

що охоплює контролюючий об’єкт (в нашому випадку циліндричний). Виходячи з симетрії задачі, використовується циліндрична система координат (r,,z) з віссю z, направленою по осі циліндра.

Для аналізу взаємодії вихорострумового перетворювача (ВСП) з об’єктом контролю за основу беруться рівняння Максвелла, що описують електромагнітне поле

(3)

(4)

де H та Е – вектори напруженості магнітного і електричного полів відповідно; В – вектор магнітної індукції; - вектор густини повного струму;

(5)

де - струми провідності (вихорові); - струми зміщення; - струми переносу; - сторонні струми; - питома електрична провідність; V- вектор швидкості переносу; t- час.

Фізична модель параметричного сенсора характеризується власним опором , та внесеним , що представляє собою приріст опору внаслідок внесення в сенсор об’єкта контролю:

, (6)

де WRв - кількість витків збуджуючої обмотки; - магнітна постійна; - функція, що залежить від параметрів об’єкта контролю та умов контролю.

Проаналізовано чутливість вихідного сигналу вихорострумового перетворювача до впливних факторів [питомої провідності (питомого опору матеріалу), магнітної проникності, частоти струму збудження, радіуса об’єкта контролю, кількості витків збуджуючої котушки сенсора].

Проаналізовано точність опису функційних залежностей між параметрами електромагнітних вимірювань: точність розрахунку визначається видом опису функцій Бесселя, значенням аргумента і точністю представлення чисел в ЕОМ. Висока точність розрахунку прямої задачі електромагнітних вимірювань, що описується представленою моделлю, дозволяє позбавитись від подальшого аналізу точності результатів, отриманих на основі цієї моделі.

Модель, що грунтується на розв’язанні прямих задач електродинаміки, містить ряд спеціальних функцій; аналіз проводиться в комплексній площині повного опору сенсора. Всі ці фактори та наявність взаємного нелінійного впливу параметрів системи призводить до обмеження можливостей метрологічних досліджень методів контролю. Тому представлено математичну модель у вигляді багатовимірного поліному:

, (7)

де - коефіцієнти регресії лінійної частини математичної моделі; - коефіцієнти взаємовпливу факторів; - похибка математичної моделі; Y – відгук досліджуваного об’єкта (параметр оптимізації); - фактори.

Усунувши нелінійність, отримаємо замість (7) вираз:

(8)

Вибрано модель однопараметричної оптимізації та параметр оптимізації – значення внесеного опору вихорострумового перетворювача. Шляхом ранжування отримано два фактори:

-R- коефіцієнт, що залежить від ступеня заповнення сенсора об’єктом контролю, що пов’язаний з геометричними розмірами системи вихорострумовий перетворювач – об’єкт контролю (ВСП – ОК):

(9)

де R – радіус досліджуваного циліндричного об’єкта; Rв – радіус котушки сенсора.

-S - комплексний фактор, який характеризує електричні параметри досліджуваної системи:

(10)

, (11)

де а – абсолютна магнітна проникність матеріалу; 0 – магнітна стала; - відносна магнітна проникність матеріалу.

Зокрема, параметр (питома провідність) відповідає за однорідність досліджуваного дроту. Проаналізувавши часткові перерізи по кожному фактору, зроблено висновок про неможливість застосування математичної моделі лінійого типу. Остання має містити члени взаємовпливу:

Y=0.00249003-0.00528804-0.00000468S+0.00000994S (12)

У третьому розділі представлені результати експериментальних досліджень змін термо.е.р.с. та питомого електроопору термоелектродних матеріалів, спричинених їх неоднорідністю. З метою вивчення впливу структурної протяжної неоднорідності на т.е.р.с. та провідність (опір) термоелектродного дроту, було здійснено серію досліджень. Для цього було вибрано режим пластичної деформації, яка забезпечувалась активним одноосним розтягом, тобто, різного ступеня ? деформацією термоелектродів в умовах зростаючого з постійною швидкістю навантаження при кімнатній температурі. Дослідження проводились за допомогою розривної машини типу “FPZ 10/1”. Побудована залежність відхилення т.е.р.с. деформованих при різних значеннях ? зразків від температури (рис.3,4).

Рис.3. Т.е.р.с. деформованих хромелевих зразків відносно зразків в стані постачання (при різних значеннях ?).

Термо-е.р.с. термоелектродів вимірювали методом порівняння за допомогою потенціометра класу точності 0.002. Досліджувані деформовані зразки діаметром 1.2мм зварювали в пучок з дротом в стані постачання, відносно якого визначали т.е.р.с., та зразковою термопарою, за показами якої встановлювали температуру в печі.

Рис.4. Т.е.р.с. деформованих алюмелевих зразків відносно зразків в стані постачання (при різних значеннях ?).

Було показано, що пластична деформація веде до значного зменшення т.е.р.с. хромелю і слабше вираженого збільшення т.е.р.с. алюмелю, і ці зміни тим більші, чим більший ступінь деформації попереднього навантаження. Це пояснюється виникненням деформаційної структури та зміною напруження у досліджуваних зразках, що було підтверджено результатами металографічного аналізу.

Здійснено вимірювання значень електричного опору R зразків мостовим методом, похибка якого не перевищує 0,01Ом для діаметрів 0,21,5 мм. Як контрольний, використано метод визначення опору R за допомогою моста змінного струму. Значення питомого опору, розрахованого на основі даних, виміряних на постійному струмі, підтвердилися вимірюваннями на змінному струмі. Вони свідчать про те, що деформація призводить до зменшення питомого опору хромелю і в загальному спричиняє ріст питомого опору алюмелю.

Здійснено сканування деформованих зразків (рис.5,6) по їх довжині вихорострумовим дефектоскопом у вибраному діапазоні частот зондуючого поля, що дало можливість оцінити вплив різного ступеня деформації на вихідний сигнал приладу.

Рис.5. Залежність вихідного сигналу Y вихорострумового перетворювача від деформації (4%) по довжині зразка L.

Рис.6. Залежність вихідного сигналу Y вихорострумового перетворювача від деформації (8%) по довжині зразка L.

Розглянуто розподіл питомого електричного опору по перерізу дроту (за рахунок зміни частоти зондування) (рис.7). З ростом частоти зменшується глибина проникнення у об’єкт контролю. Визначення цієї величини дозволяє оптимально вибрати робочу частоту контролю.

а) б)

Рис.7.Глибина проникнення поля у хромелевий циліндричний зразок діаметром 1.2мм при різних частотах зондування f: а) f=200кГц, =95%; б) f=1МГц, =10%.

Здійснено ряд досліджень по визначенню протяжної хімічної неоднорідності в межах однієї партії (рис.8), так і локального типу.

а)

б)

Рис.8.Вихідний сигнал Y вихорострумового перетворювача внаслідок виявлення великомасштабної хімічної неоднорідності по довжині зразка для ділянок 1 (а) та 2 (б), взятих з однієї бухти.

Об’єкти досліджень є однорідними по своїй довжині, але між ними є різниця, що зумовлено, очевидно, різним хімічним складом. Ці гіпотези були підтверджені результатами спектрального аналізу (атомно-абсорбційної спектрометрії). На основі останнього було виявлено розкид вмісту основних компонентів стопу у кілька відсотків, що призводить до порушення балансу електричних та термоелектричних параметрів, що в свою чергу слугує причиною похибки при вимірюванні температури. Так варіація вмісту хрому від 10% до 14% може спричинити зміну термо-е.р.с. хромелю до сотень мікровольт, що призведе до похибки в кілька градусів.

Четвертий розділ присвячений синтезу засобів контролю якості термоелектродного дроту та формулюванню рекомендацій до створення стандартизованої методики щодо їх застосування і експлуатації.

Здійснено аналіз способів виділення інформації вихорострумовим методом з метою вибору оптимального варіанту. Наведені структурні схеми приладів, що базуються на різних способах виділення інформації. Якщо ж мова йде про використання приладів вихорострумового контролю для забезпечення якості виробництва продукції (зокрема термоелектродного дроту) в автоматизованих системах управління технологічними процесами, то це потребує виконання достатньо складних алгоритмів обробки інформації ВСП, змін режимів роботи. Ці завдання можна вирішити, використовуючи мікропроцесорні системи, які входять до складу приладів. Автоматизовані системи, що містять ВС прилади (рис.9), не потребують високої кваліфікації обслуговуючого персоналу і мають високі метрологічні характеристики. Узагальнена структурна схема (рис.9) вихорострумового приладу містить блок генераторів синусоїдального струму, що збуджує електромагнітне поле в об’єкті за допомогою блоку ВСП. Програмнокерований компенсатор служить для встановлення точки компенсації. Підсилювач з програмновстановлюваним коефіцієнтом передачі підсилює сигнали ВСП до необхідного для роботи синхронних детекторів рівня. Формувач забезпечує зсув одна відносно одної опорних напруг синхронних детекторів на кут /2. З виходів синхронних детекторів напруги, пропорційні уявній та дійсній складовим сигналу ВСП, надходять через мультиплексор, що комутує почергово вхідні канали, на вхід аналого-цифрового перетворювача (АЦП).

Запропоновано структуру устави для здійснення контролю безпосередньо під час виготовлення дроту. Блок керування забезпечує встановлення необхідного режиму роботи. В мікропроцесор вводять дані: частоту та амплітуду струму збудження; коефіцієнт передачі підсилювача; програму обробки інформації; параметри об’єкта контролю: діаметр дроту (0,35мм), тип стопу (хромель, алюмель), з якого виготовлений дріт, що в свою чергу визначає магнітні властивості дроту (магнітну проникність); параметри ВСП (оскільки устава оснащена набором ВСП): діаметр ВСП.

Програмне забезпечення містить програми керування роботою окремих блоків та програми обробки даних. До програм керування відносяться програми компенсації початкової напруги ВСП, встановлення частоти та амплітуди струму генератора, калібрування за зразками, керування блоком маркування бракованих ділянок. До програм обробки даних відносяться програми розв’язання алгебраїчних рівнянь, статистичної обробки серії результатів контролю, порівняння з допустимими значеннями.

Сформовані основні вимоги до створення вихорострумового перетворювача. На основі аналізу годографів прохідного ВСП з короткою котушкою обґрунтовано вибір оптимального значення узагальненого параметра контролю Х, при якому досягається максимальна чутливість до контрольованих параметрів. Розрахована оптимальна робоча частота контролю для різних діаметрів хромелевого дроту (рис.10) на основі виразу:

(13)

Рис.10. Залежність оптимальної частоти контролю від діаметру дроту.

Розраховані значення довжини сенсорної котушки для контролю дроту різних діаметрів (табл.1) та значення струмів збудження для різних діаметрів дроту обмотки сенсорної котушки.

Таблиця 1

Значення довжини сенсорної котушки для контролю дроту різних діаметрів

Діаметр контрольованого дроту, мм | Довжина котушки, (розрахункова), мм | Довжина котушки, (вибрана), мм | 0.2 | 0.215 | 0.3 | 0.3 | 0.27 | 0.3 | 0.5 | 0.375 | 0.4 | 0.7 | 0.475 | 0.5 | 1.2 | 0.73 | 0.7 | 1.5 | 0.89 | 1.0 | 3.2 | 1.75 | 2.0 | 5.0 | 2.66 | 3.0 |

Таблиця 2

Рекомендовані значення струмів збудження для різних діаметрів дроту обмотки сенсорної котушки

Діаметр дроту обмотки, мм | Струм збудження, (розрахунковий),мА | Струм збудження, (вибраний),мА | 0.02 | 3,14 | 5,0 | 0.05 | 19,6 | 20,0 | 0.1 | 78,5 | 80,0 | 0.2 | 314,0 | 300,0 |

Наведена схема включення вихорострумового пертворювача у вимірювальне коло.

Здійснено аналіз похибок при контролі питомої електропровідності та діаметру дроту шляхом їх окремого відліку.

Сформульовано рекомендації, що стосуються підвищення точності схем з прохідними сенсорами:

- Мінімальне значення похибки при оцінці контрольованих параметрів ВС методом можна забезпечити при значенні узагальненого параметра Х=2.5. Оптимальне значення Х забезпечується вибором робочої частоти струму збудження (рис.10). В разі великого діапазону зміни контрольованої величини варто розбити його на піддіапазони з застосуванням кількох робочих частот.

- Бажано завжди надавати перевагу не прямому методу контролю досліджуваних параметрів, а методу порівняння з стандартними зразками, оскільки останній дозволяє підвищити точність контролю.

- Необхідно прагнути звузити діапазон змін досліджуваних величин, так як це є запорукою мінімізації похибки контролю.

Здійснено оцінку кількісних характеристик неоднорідності термоелектродного дроту.

Зміну властивостей дроту можна оцінити, використовуючи:

- максимальну оцінку

, (14)

де hmin, hmax – мінімальне та максимальне значення обраної для контролю властивості матеріалу термоелектроду;

- статистичний підхід, що передбачає оцінку відхилення параметрів дроту від номінального значення на певній його ділянці математичним очікуванням та дисперсією ;

- стохастичну оцінку, яка вимагає представлення кореляційної функції неоднорідності по довжині дроту.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

В результаті виконання дисертаційної роботи можна сформулювати наступні висновки:

- Проведено узагальнення результатів наукових та практичних досліджень контролю якості термоелектродних матеріалів на основі оцінювання їх термоелектричної неоднорідності.

- Вперше за результатами порівняльного аналізу існуючих методів обгрунтовано оптимальність застосування вихорострумового методу для контролю термоелектродного дроту.

- В результаті експериментальних досліджень виявлено характерні закономірності, що пов’язують електричні та термоелектричні параметри вибраних типів термоелектродного дроту.

- Розглянуто вплив структурної та хімічної неоднорідності на зміну електричних параметрів термоелектродних зразків.

- Розроблено методику проведення вихорострумового контролю термоелектричної неоднорідності, яка полягає у визначенні вихорострумовим методом електричних параметрів термоелектродного дроту та оцінку його термоелектричних властивостей на основі експериментально встановлених характерних залежностей.

- Запропонована структура устави для здійснення неперервного контролю якості термоелектродів з застосуванням вихорострумових технічних засобів.

- Запропоновано шляхи для проведення кількісної оцінки якості термоелектродів.

- Отримано результати теоретичних та експериментальних досліджень, які можуть бути основою для створення стандартизованих методик проведення контролю якості термоелектродного дроту як під час його виробництва, так і при вхідному контролі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Тетерко А.Я., Пахолюк Т.З. Методика моделювання та аналіз багатопараметрової моделі сигналу електромагнітних систем неруйнівного контролю // Фізико-хімічна механіка матеріалів. – 1996.- №5.-С.77-81.

2. Столярчук П.Г., Пахолюк Т.З. Термоелектрична неоднорідність і моделювання процесу її контролю // Вимірювальна техніка та метрологія. – 1996.- №52.- С.47-48.

3. Столярчук П.Г., Пахолюк Т.З. Закономірності електричних та термоелектричних властивостей подвійних сплавів. // Вісник Державного університету “Львівська політехніка”. - 1997. - № 314. –С.69 – 74.

4. Бубела Т.З. Дослідження фізичної термоелектричної неоднорідності термоелектродів // Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. – 2002. - №445. –С.109-113.

5. Рыбачук В.Г., Пахолюк Т.З. Анализ функций влияния толщины покрытия на сигнал накладного вихретокового преобразователя // Тезисы докладов школы-семинара “Автоматизация методов неразрушающего контроля качества” ( п.Славское). – Киев: Общество “Знание” Украины.- 1994.- С.3-4.

6. Тетерко А.Я., Пахолюк Т.З, Гутник В.І. Автоматизація побудови, аналізу та розв’язування обернених задач багатопараметрового ВС-контролю // Тези доповідей школи-семінару “Автоматизація фізичних методів контролю в технічній діагностиці та медицині”(м.Славське). – Київ: Укр.буд.економіч. та наук.-тех. Знань.- 1995.- С.35.

7. Тетерко А.Я., Пахолюк Т.З Розробка нелінійної багатовимірної моделі аналізу систем електромагнітного контролю параметрів матеріалів та виробів // Праці ІІ української конференції з автоматичного керування “Автоматика – 95”.- Том 2. – Львів:НАН України.-1995. – С.57-58.

8. Тетерко А.Я., Пахолюк Т.З, Гутник В.І. Автоматизація побудови нелінійних багатовимірних моделей в прямих та обернених задачах багатопараметрового електромагнітного контролю // Праці ІІ української конференції з автоматичного керування “Автоматика – 95”.- Том 2. – Львів:НАН України.-1995. – С.58-59.

9. Гутник В.І., Пахолюк Т.З. Автоматизація процесу запису, обробки і відображення електричних сигналів // Праці ІІ української конференції з автоматичного керування “Автоматика – 95”.- Том 4. – Львів:НАН України.-1995. – С.98.

10. Столярчук П.Г., Пахолюк Т.З. Моделювання вихорострумового перетворювача для контролю однорідності термоелектродів // 1-st International modelling school – Krym’96. – Alushta.- 1996.-P.115-116.

АНОТАЦІЯ

Бубела Т.З. Достандартизаційні дослідження методу контролю якості термоелектродного дроту. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.01.02 – стандартизація та сертифікація. - Національний університет "Львівська політехніка", Львів, 2002.

Дисертацію присвячено проблемі розробки оптимального методу контролю якості термоелектродних матеріалів з метою його подальшої стандартизації, придатного до застосування безпосередньо в процесі їх виготовлення. Запропонований метод дозволяє проводити процедуру контролю безконтактним шляхом з застосуванням вихорових струмів. Здійснено експериментальні дослідження впливу термоелектричної неоднорідності на електричні та термоелектричні властивості термоелектродного дроту. Проаналізовано модель параметричного вихорострумового перетворювача та досліджено характер і рівень впливу заважаючих факторів на вихідний сигнал перетворювача. Розроблені комплексні рішення щодо синтезу устави для практичної реалізації запропонованої методики контролю якості термоелектродів на виробництві з метою подальшої її стандартизації.

Ключові слова: термоелектрична неоднорідність, вихорові струми, якість термоелектродного дроту, стандартизована методика.

АННОТАЦИЯ

Бубела Т.З. Достандартизационные исследования метода контроля качества термоэлектродной проволоки. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.01.02 – стандартизация и сертификация. Национальный университет "Львивська политэхника". Львов, 2002.

Диссертация посвящена проблеме разработки оптимального метода контроля качества термоэлектродных материалов с целью его дальнейшей стандартизации, который можно применять непосредственно в процессе их изготовления. На сегодняшний день существует несколько методов определения термоэлектрической неоднородности, которая выступает показателем качества термоэлектродной проволоки. На базе сравнительного анализа выделены их основные недостатки: характерная для каждого метода форма температурного поля, трудоемкость реализации работ, возможность влияния на объект контроля в результате термоудара, контактное проведение процедуры оценки неоднородности. Предлагаемый в диссертационной работе метод позволяет исключить большенство из них. Он основан на контроле электрических величин (удельного сопротивления, удельной проводимости), в результате которого можно оценить состояние термоэлектрических характеристик на основе установления характера их корреляции.

В работе проанализирован характер влияния химического состава и физической неоднородности на т.э.д.с. термоэлектродных сплавов.

Отслежены основные технологические процессы изготовления термоэлектродной проволоки, анализ которых показал, что основными причинами возникновения термоэлектрической неоднородности является пластическая деформация, влияние внешней среды, посторонние включения в сплав.

На основе теории электронной проводимости в работе подчеркнуто, что уравнение связи между электропроводностью и т.э.д.с. на практике нарушается. В связи с этим был проведен ряд экспериментов с целью установления закономерностей между термоэлектрическими и электрическими параметрами объектов контроля.

Для контроля электрической проводимости (сопротивления) обосновано был выбран метод вихревых токов (на основе параметрического проходного датчика), руководствуясь следующими критериями:

- характером взаимодействия физических полей с объектом контроля;

- первичным информативным параметром;

- способами получения первичной информации.

Для теоретического анализа проходных преобразователей с неоднородным полем рассмотрена задача о распределении электромагнитного поля витка с током, который охватывает объект контроля.

В силу того, что решение прямых задач электродинамики вмещает ряд специальных функций а также существование взаимного нелинейного влияния параметров исследуемой системы объект контроля – вихретоковый преобразователь приводит к ограничению возможностей метрологических исследований метода контроля. Разработана математическая модель в виде многомерного полинома. Произведен анализ точности представленной математической модели.

Представлены результаты экспериментальных исследований изменений термоэ.д.с. и удельного электросопротивления термоэлектродных материалов, обусловленых их физической и химической неоднородностью. Т.э.д.с. измерена методом сравнения неоднородных проволок с образцом в состоянии поставки. Результаты значений удельного сопротивления получены с помощью моста постоянного тока (как контрольный использовался мостовой метод на переменном токе). С помощью вихретокового дефектоскопа произведено сканирование термоэлектродной проволоки по ее длине и зондирование на разных частотах по сечению. На основе результатов экспериментальных исследований сделаны соответствующие выводы, которые были подтверждены металлографическим и спектральным анализом. Дана характеристика влияния неоднородности на погрешность термопары.

Проведен анализ способов выделения информации вихретоковым методом с целью выбора оптимального решения. Сформулированы основные требования к созданию вихретокового преобразователя. Предложена структура установки для проведения контроля качества проволоки на предприятии-изготовителе (в качестве контролера производственного процесса), или в процессе входного контроля на предприятии заказчика. Разработаны методические указания к применению и эксплуатации вихретоковых приборов с целью их дальнейшей стандартизации. Сформулированы основные требования к конструктивным и функциональным параметрам вихретокового преобразователя. Представлена схема его включения в измерительную цепь.

Проведен анализ погрешностей во время контроля качества термоэлектродной проволоки. Выделены основные источники их возникновения.

Предложены пути для осуществления количественной оценки погрешности от неоднородности термоэлектродов.

Ключевые слова: термоэлектрическая неоднородность, вихревые токи, качество термоэлектродной проволоки, стандартизированная методика.

SUMMARY

Bubela T. Pre-standardization investigations of the quality surveillance method of the thermocouple wire. The Manuscript.

On the competition of a scientific degree of the candidate of engineering science behind a speciality 05.01.02 – standardization end certification. National University ”Lvivska politechnika”, Lviv, 2002.

Present thesis is dedicated to develop the optimal method of the quality surveillance of thermoelectrod materials with its further standartisarion to be able for direct application during fabrication process of the materials. Proposed method enables to apply the contactless measuring supplying vortical currents. Experimental study of influence of the thermoelectrical homogeneity on the thermoelectrical and electrical properties of the thermocouple wire was carried out. Model of the parametric vortical current converter was analized, behaviour and possible influence of the interfering factors on the output signal of the converter were investigated. Complex approach to build up installation for the practical realization of the proposed method of the quality surveillance of thermoelectrod materials aimed to its further standartization was developed.

Key words: thermoelectrical homogeneity, vortical currents, thermocouple wire quality, standardized method.

Підписано до друку 15.10.2002р.

Формат 60Х90/16. Папір офсетний. Друк на різографі. Умовн.друк.арк.1,4. Обл.-видав. арк.0,89. Наклад 100 прим.

Поліграфічний центр “Манускрипт”, вул.Руська, 16, Львів