“Харківський політехнічний інститут”

Цеховський Максим Володимирович

УДК 620.179.14 (088.8)

вихрострумові перетворювачі для засобів контролю товщини діелектричних покриттів

Спеціальність 05.13.05 – Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному аерокосмічному університеті імені М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Кошовий Микола Дмитрович,

Національний аерокосмічний університет імені М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”,

завідувач кафедри авіаційних приладів та вимірювань.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Овчаренко Олександр Іванович,

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”,

професор кафедри вимірювально-інформаційної техніки;

кандидат технічних наук, доцент

Кадацька Ольга Йосипівна,

Харківський національний університет радіоелектроніки,

доцент кафедри автоматизації проектування обчислювальної техніки.

Захист відбудеться “18” жовтня 2007 р. о 14 год. на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 64.050.14 у Національному технічному університеті
“Харківський політехнічний інститут” за адресою 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий “ 7 ” вересня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ліберг І.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для безпечної експлуатації устаткування й матеріалів, захисту їх від зовнішніх факторів і ушкоджень широко використовуються різноманітні діелектричні покриття. Область їхнього застосування широка: від поліетиленової тари для фасування й зберігання продуктів до спеціальних покриттів в авіації й космонавтиці. При цьому якість виробу, в основному, визначається товщиною покриття і стабільністю цієї товщини уздовж і поперек виробу. Для її перетворення використовують товщиноміри покриттів. В основі роботи цих приладів лежать різноманітні методи, у останній час – переважно безконтактного перетворення. Незважаючи на безліч приладів, що випускаються серійно, ведуться інтенсивні пошуки нових принципів побудови, вибору конструктивного виконання товщиномірів. Вид діелектричного покриття, кількість шарів, припустима товщина та її стабільність, доступ до покриття з однієї або декількох сторін, а також особливості технології нанесення істотно впливають на конструкцію й принцип роботи товщиномірів.

Відомі методи безконтактного перетворення товщини діелектричних покриттів мають безліч вад, які не дозволяють створювати прилади з високими техніко-економічними показниками. Сучасні засоби безконтактного перетворення товщини діелектричних покриттів дозволяють перетворювати вказаний параметр з відносною похибкою від 3% до 10%, мають недостатню завадостійкість та складність технічної реалізації.

Від більшості недоліків є вільним вихрострумовий метод перетворення товщини покриттів. Його і обрано за основу у даній роботі.

Основною задачею удосконалення вихрострумового метода безконтактного перетворення товщини діелектричних покриттів є підвищення точності перетворення, зниження енергоспоживання, масо-габаритних показників та впливу зовнішніх наводок і полів.

При розробці нових перетворювачів товщини великого значення набуває підвищення ефективності експериментальних досліджень, спрямованих на одержання адекватної математичної моделі процесу.

Тому в дисертаційній роботі вирішуються актуальні задачі вдосконалення вихрострумового методу перетворення товщини діелектричних покриттів та засобів і пристроїв, що його реалізують, а також задача підвищення ефективності досліджень та процедури вибору конструктивних параметрів перетворювачів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі авіаційних приладів та вимірювань Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” в процесі виконання досліджень по госпдоговірним темам з ТОВ НПФ “Энерготех” (м. Київ): “Розробка математичних моделей, розрахунок оптимальних составів і технологічних параметрів одержання конструкційних матеріалів, покриттів для виробів підприємств ПЕК, елементів ЛА, виробів спеціального призначення”; “Розробка й дослідження пристрою для вимірювань товщини діелектричних покриттів на металевих виробах”; “Розробка на базі датчиків Холла пристрою для вимірювань товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях”, де здобувач був виконавцем окремих розділів.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертації – розробити нові перспективні вихрострумові пристрої та засоби автоматизації процесу контролю товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях, та підвищити ефективність досліджень і процедури вибору конструктивних параметрів перетворювачів.

Задачі, що вирішуються в дисертаційній роботі:

- удосконалити вихрострумовий метод безконтактного перетворення товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях;

- розробити нові вихрострумові перетворювачі та дослідити їх техніко-економічні показники;

- провести експериментальне дослідження, моделювання й оптимізацію конструкції вихрострумових пристроїв для безконтактного перетворення товщини діелектричних покриттів;

- підвищити точність засобів перетворення товщини діелектричних покриттів на основі застосування запропонованих вихрострумових перетворювачів;

- розробити програмно-апаратні засоби для побудови оптимальних планів при експериментальних дослідженнях, моделюванні й оптимізації конструкції засобів перетворення товщини діелектричних покриттів;

- впровадити результати дослідження в практику підприємств і організацій.

Об'єкт дослідження – процеси визначення нерівномірності товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях виробів.

Предмет дослідження - перетворювачі для засобів безконтактного перетворення товщини діелектричних покриттів на основі вихрострумового методу.

Методи дослідження. Теоретичні положення дисертаційної роботи базуються на фундаментальній теорії планування експерименту, математичної статистики, математичного моделювання та оптимізації. Для одержання й дослідження математичних моделей процесів у засобах для безконтактного перетворення товщини діелектричних покриттів використовуються методи планування експерименту й математичної статистики, а при їхній оптимізації - градієнтний метод. При розробці програмно-апаратних засобів для автоматизації дослідження й побудови оптимальних планів експерименту використовувалися методи синтезу дискретних пристроїв.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше отримані поліноміальні математичні моделі вихрострумового перетворювача, побудованого на основі двох вимірювальних елементів Холла, які описують зв'язок основних техніко-економічних показників з його конструктивними параметрами;

- удосконалено вихрострумовий метод перетворення товщини діелектричних покриттів на металевих виробах за рахунок: 1) застосування способу установки обмотки збудження перетворювача паралельно електропровідній поверхні виробу й екранування перетворювача; 2) застосування удосконаленого накладного вихрострумового перетворювача й цифрової обробки сигналів; 3) застосування способу вимірювань з використанням двох вимірювальних елементів Холла, з'єднаних диференційно й розташованих з обох кінців сердечника. Це дає можливість швидко та з великою точністю перетворювати товщину діелектричних покриттів на металевих виробах, забезпечити перешкодозахищеність і підвищити ергономічні показники;

- одержали подальший розвиток шляхи підвищення основних техніко-економічних показників вихрострумових перетворювачів, які засновані на інтерпретації коефіцієнтів математичних моделей і оптимізації по цих моделях, що дало можливість одержати раціональні конструктивні параметри магнітної системи перетворювачів на основі двох вимірювальних елементів Холла.

Працездатність і вірогідність отриманих математичних моделей підтверджується їхньою практичною перевіркою й використанням для оптимізації засобів перетворення товщини діелектричних покриттів.

Наукова новизна удосконаленого методу та розроблених засобів для контролю товщини діелектричних покриттів, дослідження й побудови оптимальних планів експерименту підтверджується одержанням на них патентів України й реєстрацією програмного забезпечення в Державному департаменті інтелектуальної власності.

Практичне значення одержаних результатів. На основі проведених досліджень створений вихрострумовий перетворювач товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях, який забезпечує підвищену точність та має просту конструкцію. Розроблене програмне забезпечення дозволить автоматизувати процес синтезу планів багатофакторного експерименту для побудови математичних моделей засобів перетворення. Отримані по математичних моделях раціональні конструктивні параметри вихрострумового перетворювача можна використати при проектуванні засобів контролю товщини діелектричних покриттів і перспективних пристроїв для автоматизованих систем. Отримані результати досліджень можуть бути використані для побудови елементів та пристроїв обчислювальної техніки та систем керування.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень дисертації використані в практиці ряду підприємств і організацій:

- удосконалений метод перетворення товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях і пристрій для його реалізації (патент України № 75684) використані в дослідно-конструкторських роботах і виготовленні виробів, створюваних у Харківському державному авіаційному промисловому підприємстві (ХДАПП). Застосування зазначених результатів дозволило підвищити точність вимірювань товщини покриттів і вірогідність оцінки процесів виробництва й експлуатації виробів авіаційної техніки;

- результати дослідження, моделювання й оптимізації конструктивних параметрів засобів для перетворення товщини діелектричних покриттів впроваджені в практику ТОВ НПФ “Энерготех” (м. Київ);

- теорія й принципи побудови вихрострумових перетворювачів для визначення товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях, запропоновані системи контролю товщини покриттів, програмне забезпечення для побудови оптимальних планів експерименту, математичні моделі перетворювача й результати його оптимізації впроваджені в навчальний процес кафедри авіаційних приладів та вимірювань Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” у курсах лекцій ”Вимірювальні перетворювачі”, ”Контроль та діагностика вимірювально-обчислювальних комплексів”, ”Теорія планування експерименту” і кафедри приладів та систем керування літальними апаратами Національного технічного університету України “КПІ” у курсах лекцій “Багаторівневі системи обробки інформації”, ”Обчислювальні пристрої і мікропроцесорні системи”.

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно, серед них:

- удосконалення вихрострумового методу перетворення товщини діелектричних покриттів на металевих виробах, який дає можливість швидко та з великою точністю перетворювати вказаний параметр, забезпечити перешкодозахищеність і підвищити ергономічні показники;

- розробка поліноміальних математичних моделей вихрострумового перетворювача, побудованого на основі двох вимірювальних елементів Холла, які описують зв'язок основних техніко-економічних показників з його конструктивними параметрами;

- розробка шляхів підвищення основних техніко-економічних показників вихрострумових перетворювачів, які засновані на інтерпретації коефіцієнтів математичних моделей і оптимізації по цих моделях, що дало можливість одержати раціональні конструктивні параметри магнітної системи вказаних перетворювачів для засобів контролю товщини діелектричних покриттів.

Апробація результатів дисертації. Наведені в дисертаційній роботі наукові результати доповідалися й обговорювалися на наступних конференціях: міжнародній науково–технічній конференції “Приладобудування – 2002” (Вінниця-Алупка, 2002 р.); міжнародній науково–технічній конференції “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні. ІКТМ–2002” (Харків, 2002 р.); міжнародному симпозіумі “Наука й підприємництво” (Вінниця – Кам'янець-Подільський, 2003р.); міжнародній науково–технічній конференції “Інформаційна техніка й електромеханіка (ІТЕМ–2003)” (Луганськ, 2003р.); міжнародній науково–технічній конференції “Приладобудування – 2003” (Вінниця – Кореіз, 2003р.); міжнародній науково–технічній конференції “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні. ІКТМ–2003” (Харків, 2003р.); міжнародній науково–технічній конференції “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні. ІКТМ–2004” (Харків, 2004р.); міжнародній науково–технічній конференції “Приладобудування – 2004” (Вінниця – Ялта, 2004р.); міжнародній науково–технічній конференції “Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України” (Харків, 2004р.); міжнародній науково–технічній конференції “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні. ІКТМ–2005” (Харків, 2005р); міжнародній науково–практичній конференції “Наукові дослідження – теорія та експеримент 2006” (Полтава, 2006р.); міжнародній науково–практичній конференції “Розвиток наукових досліджень 2006” (Полтава, 2006р.), міжнародній науково–технічній конференції “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні. ІКТМ–2006” (Харків, 2006р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 26 наукових працях, серед них: 5 – у фахових виданнях ВАК України; 8 патентів України на винаходи; 1 свідоцтво про реєстрацію авторського права на комп'ютерну програму.

Структура й обсяг роботи. Дисертація містить вступ, 4 розділи, висновки, перелік використаних джерел, додатки; повний обсяг дисертації викладений на 186 сторінках, що містять 25 рисунків за текстом, 19 таблиць за текстом, 135 найменувань використаних літературних джерел на 15 сторінках, 4 додатки на 55 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, показано її наукову та прикладну спрямованість, сформульовано мету роботи й задачі дослідження, які потрібно вирішити для її досягнення. Подано коротку характеристику результатів дослідження, їх апробації та опублікування.

У першому розділі проведено аналіз методів і засобів для перетворення товщини діелектричних покриттів на металевих покриттях.

Проведений аналіз методів і пристроїв для безконтактного перетворення товщини покриттів з урахуванням особливостей дозволив сформулювати основну наукову задачу вдосконалення систем і засобів для перетворення товщини діелектричних покриттів на основі ВСМ, розробки програмно-апаратних засобів для автоматизації процесу контролю вказаного параметру, розробки оптимальних планів і їхнього застосування при дослідженнях пристроїв, систем і технологічних процесів.

Другий розділ присвячено удосконаленню вихрострумового методу й реалізуючих його пристроїв.

Розглянуто критерії оцінки якості діелектричних покриттів на металевих поверхнях.

В якості вихідних показників, що характеризують нерівномірність покриття, використовується максимальний розкид товщини покриття й середній розкид .

Дані параметри визначаються за наступними формулами:

де - підмножини множини , елементами яких є товщини покриттів, обумовлені в характерних локальних місцях виробу.

Таким чином, для оцінки якості діелектричних покриттів необхідно вимірювати товщину покриттів у локальних місцях.

Вихрострумовий метод перетворення товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях виробів удосконалено за рахунок: застосування способу установки обмотки збудження перетворювача паралельно електропровідній поверхні виробу й екранування перетворювача; застосування удосконаленого накладного вихрострумового перетворювача й цифрової обробки сигналів; застосування способу виміру з використанням двох вимірювальних елементів Холла, з'єднаних диференційно й розташованих по обидві сторони сердечника. На рис. 1 наведена удосконалена реалізація ВСМ.

Рис. 1. Удосконалена реалізація вихрострумового методу

Розглянуто конструкції та схеми розроблених вимірювачів товщини покриттів, що реалізують удосконалений ВСМ.

Конструкція одного з розроблених вихрострумових перетворювачів, наведена на рис. 2, а схема ввімкнення – на рис. 3.

Вихрострумовий перетворювач складається з обмотки збудження 1, виводи якої під'єднані до джерела напруги змінного струму, і двох вимірювальних елементів Холла 2 і 3, з'єднаних диференційно, виводи яких підключені до блоку обробки інформації 4 (рис. 3). Вимірювальні елементи Холла 2 і 3 розміщені з обох кінців стрижневого феритового сердечника 4 (рис. 2) і розташовані на однаковій відстані від обмотки збудження 1 так, щоб їхня вісь чутливості була спрямована по нормалі до металевої поверхні 5 з нанесеним на неї діелектричним покриттям 6. Коаксиально із сердечником 4 (рис. 2) розташований полюсний наконечник 7, виконаний у вигляді усіченого феромагнітного конуса з кульовим наконечником 8. Вихрострумовий

Рис. 2. Конструкція вихрострумо-вого перетворювача Рис.3. Схема ввімкнення вихро-струмового перетворювача

перетворювач розміщують у металевому екрані 9 і встановлюють безпосередньо в корпус приладу 10.

Застосування розроблених засобів дає можливість швидко й з великою точністю перетворювати товщину діелектричних покриттів на металевих виробах, забезпечувати завадостійкість і підвищити ергономічні показники.

У третьому розділі приведені результати експериментального дослідження, моделювання і параметричної оптимізації вихрострумового перетворювача для засобів контролю товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях (див. рис. 2 і рис. 3).

Показано, що для поліпшення техніко-економічних показників пристроїв (точності, чутливості, технологічності та ін.) необхідно вирішити наступні завдання:

- виконати експериментальні дослідження, спрямовані на одержання математичних моделей перетворювача та його раціональних конструктивних параметрів;

- запропонувати й реалізувати шляхи поліпшення показників якості розробленого вихрострумового перетворювача.

Розроблена методика проведення експериментальних досліджень засобів для перетворення товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях.

Далі у розділі проводиться дослідження вихрострумового перетворювача із залученням методів планування експерименту.

Як критерії оптимізації були обрані наступні техніко-економічні показники перетворювача: похибка виміру д, %; чутливість , мВ/мм; енергоспоживання , мВт; максимальна межа виміру , мм; маса , г.

Факторами, що впливають на ці показники, були обрані: – діаметр сердечника, мм; – висота сердечника, мм; – кількість витків ; – частота живлячої напруги, Гц. Для реалізації факторного експерименту були обрані рівні й інтервали варіювання по кожному з факторів (табл. 1).

Таблиця 1

Рівні і інтервали варіювання факторів

Метою експериментального дослідження вихрострумового перетворювача є одержання математичних моделей, що характеризують залежність окремих його параметрів з показниками якості

(2)

де – показник якості (); - коефіцієнти неповної квадратичної моделі; - фактори, що впливають на показник якості.

Отримані результати дають можливість:

1) вивчити вплив домінуючих факторів на перераховані показники якості й розташувати їх у ряд по ступені впливу;

2) розробити заходи, спрямовані на поліпшення техніко-економічних показників вихрострумового перетворювача;

3) визначити раціональні конструктивні параметри вихрострумових перетворювачів.

При обробці результатів повного факторного експерименту з використанням пакета прикладних програм по автоматизації планування експерименту отримані статичні математичні моделі, що описують залежність техніко-економічних показників вихрострумового перетворювача () від його конструктивних параметрів (). Значення коефіцієнтів математичних моделей наведені в табл. 2. Незначущі коефіцієнти позначені “–”.

Таблиця 2

Значення коефіцієнтів математичних моделей для показників якості

Проведені дослідження дозволили описати механізм явищ, що відбуваються у вихрострумовому перетворювачі, виявити ступінь впливу окремих конструктивних параметрів, розкрити можливості поліпшення техніко-економічних показників перетворювача, а також одержати певну інформацію для здійснення даної можливості.

Для поліпшення техніко-економічних показників вихростумових перетворювачів необхідно виконати ряд заходів, розглянутих нижче.

У результаті аналізу експериментальних даних визначені раціональні параметри пристрою: = 6 мм; = 25 мм; = 300 витків; = 300 Гц. При цих параметрах перетворювача похибка вимірювань мінімальна (д = 1,16%), чутливість максимальна ( = 200 мВ/мм), максимальна межа виміру ( = 4,5 мм), енергоспоживання близьке до мінімального ( = 361 мВт), однак маса магнітної системи максимальна ( = 3,74 г).

Для подальшої оптимізації вихрострумового перетворювача визначені шляхи поліпшення техніко-економічних показників, виходячи з інтерпретації коефіцієнтів математичних моделей:

- зменшення похибки перетворювача можливо за рахунок зменшення діаметра сердечника, числа витків і частоти живлячої напруги, а також збільшення його висоти ;

- збільшення чутливості вихрострумового перетворювача можливо шляхом збільшення таких параметрів, як , і зменшення , ;

- зменшення маси перетворювача досягається шляхом зменшення діаметра , висоти й кількості витків ;

- збільшення межі виміру перетворювача досягається шляхом збільшення , , і зменшення ;

- зменшення енергоспоживання вихрострумовим перетворювачем можливо за рахунок збільшення факторів , , і .

Як приклад, автором розглядалася оптимізація вихрострумового перетворювача по критерію мінімуму маси.

Для критерію оптимізації математична модель у натуральних значеннях факторів має такий вигляд:

= – 0,0083 + 0,0053 – 0,0718 + 0,0014 + 0,0338 .

Оптимізація по даному критерію виконувалась методом найшвидшого спуску. Техніко-економічні показники виступали в якості обмежень. В результаті оптимізації отримані наступні раціональні значення конструктивних параметрів:

3,0 мм; = 16,7 мм; = 217 витків; = 180 Гц.

При цьому значення визначене по математичній моделі

для = ?1, = ?0,51, = ?0,11, які відповідають натуральним значенням факторів = 3,0 мм; = 16,7 мм; = 217 витків. У цьому випадку для похибки д = 0,3% = ?1,6 або = 180 Гц.

Обмеження для цих значень факторів визначені за відповідними математичними моделями, коефіцієнти яких представлені в табл. .

При експериментальному дослідженні дослідного зразка з раціональними конструктивними параметрами ( = 3,0 мм; = 16,7 мм; = 217 витків; = 180 Гц) отримані такі вихідні характеристики:

= 0,84 г; д = 0,29%; = 50 мВ/мм; = 375,5 мВт; = 1,5 мм .

Показники якості дослідного зразка вихрострумового перетворювача з раціональними конструктивними параметрами з достатньою точністю збігаються з показниками, які визначені при оптимізації пристрою по математичних моделях. А це, у свою чергу, підтверджує адекватність математичних моделей і правильність рішення оптимізаційної задачі.

Вихрострумовий перетворювач із параметрами, отриманими при оптимізації по математичних моделях, дає виграш по точності майже в 4 рази, а по масі – майже в 4,5 рази при деякому погіршенні таких показників, як і .

Таким самим чином можна виконати оптимізацію по кожному із критеріїв , розглядаючи інші як обмеження. При цьому якщо для перетворювача важлива висока точність вимірювань, то оптимізація проводиться за критерієм д. Якщо потрібно забезпечити економію енергоспоживання перетворювачем, то оптимізацію доцільно проводити за критерієм . Для підвищення чутливості перетворювача варто виконувати оптимізацію за критерієм , а для розширення діапазону вимірювань товщини покриття – за критерієм .

Таким чином, однокритеріальна оптимізація проводиться залежно від вимог, які ставляться при виборі вихрострумового перетворювача.

У четвертому розділі розглянуті засоби автоматизації проведення експерименту й контролю технологічних процесів.

Для автоматизації процесу побудови оптимальних планів багатофакторного експерименту розроблено спеціальне програмне забезпечення, яке, на відміну від існуючих програм (наприклад – STATISTIKA, SPSS), враховує нерівноцінність дослідів та вартість змін значень рівнів факторів при виконанні наступного досліду і дозволяє формувати оптимальні по вартості комбінаторні плани експериментів. Розроблене спеціальне програмне забезпечення дозволить автоматизувати процес рішення задачі, скоротити терміни розробки оптимальних за вартістю планів, підвищити достовірність отриманих результатів, що, в кінцевому результаті, приведе до скорочення часу і вартості експерименту.

Для проведення багатофакторного експерименту розроблена автоматизована система. У основі роботи системи лежить використання оптимальних комбінаторних планів. За допомогою даної системи експериментатор має можливість обирати різні варіанти проведення експерименту і послідовно генерувати відповідні значення рівнів факторів.

Для автоматизації процесу контролю параметрів технологічного процесу розроблений програмно-апаратний комплекс з розвинутою системою інтерфейсу. Апаратні засоби включають автоматизовану систему контролю, автоматизовану систему контролю параметрів і автоматизовану систему контролю якості покриття. Апаратний комплекс виконує вимірювання товщини покриття в контрольних точках, визначає значення середньої товщини покриття та контрольні точки, в яких значення товщини відрізняються від допустимих.

Розроблено програмне забезпечення для параметричного контролю технологічних процесів, яке має ширші функціональні можливості в порівнянні з аналогічними розробками, бо дозволяє вводити вхідні данні, автоматизувати процес контролю параметрів технологічних процесів, протоколювати результати контролю, вчасно виявляти відхилення від заданих допусків і вже на ранньому етапі виявити брак, не чекаючи закінчення повного циклу виготовлення виробу.

Унікальність розробки програмно-апаратного комплексу підтверджується свідоцтвом про реєстрацію в Державному департаменті інтелектуальної власності України.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-практична задача по вдосконаленню вихрострумових перетворювачів для засобів контролю товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях виробів. Показано доцільність застосування удосконаленого вихрострумового методу й реалізуючих його пристроїв та зроблені висновки:

1. Удосконалено вихрострумовий метод перетворювання товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях виробів за рахунок: застосування способу установки обмотки збудження перетворювача паралельно електропровідній поверхні виробу й екранування перетворювача; застосування удосконаленого накладного вихрострумового перетворювача й цифрової обробки сигналів; застосування способу виміру з використанням двох вимірювальних елементів Холла, з'єднаних диференційно й розташованих по обидві сторони сердечника.

Це дає можливість швидко й з великою точністю (похибка не більше 0,3%) перетворювати товщину діелектричних покриттів на металевих виробах, забезпечувати перешкодозахищеність і підвищити ергономічні показники.

2. Розроблено вихрострумовий перетворювач на базі двох вимірювальних елементів Холла. Отримані поліноміальні математичні моделі вказаного перетворювача, які описують зв'язок основних техніко-економічних показників з конструктивними параметрами. Встановлено ступінь впливу кожного з конструктивних параметрів на техніко-економічні показники. Найбільш суттєвий вплив на точність перетворення має частота живлючої напруги та діаметр сердечника.

3. Одержали подальший розвиток шляхи поліпшення техніко-економічних показників вихрострумових перетворювачів, які засновані на інтерпретації коефіцієнтів математичних моделей і оптимізації по цих моделях методом найшвидшого спуску, що дало можливість одержати раціональні конструктивні параметри магнітної системи перетворювача на основі двох вимірювальних елементів Холла: діаметр сердечника = 3,0 мм; висота сердечника = 16,7 мм; кількість витків = 217; частота живлючої напруги = 180 Гц.

4. Створено дослідний зразок вихрострумового перетворювача з раціональними параметрами, отриманими при оптимізації по математичних моделях, що дає виграш по точності в 4 рази, а по масі - в 4,5 рази.

5. Запропоновано структури засобів контролю якості покриттів і системи для проведення багатофакторного експерименту, які дозволяють автоматизувати процеси визначення якості покриттів і реалізації планів багатофакторного експерименту. Розроблено алгоритмічне й програмне забезпечення для засобів контролю якості покриттів і системи для проведення багатофакторного експерименту.

6. Отримані результати розширюють науково-технічну базу проектування вихрострумових перетворювачів для безконтактного пертворення товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях виробів з високими техніко-економічними показниками, а їхня вірогідність підтверджується широкою апробацією й впровадженням у практику підприємств: Харківське державне авіаційне промислове підприємство (ХДАПП), ТОВ НПФ “Энерготех” (м. Київ) та в навчальні процеси Національного технічного університету України “КПІ” і Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ за темою дисертації

1. Koshevoi N.D., Cehovski M.V., Gordienko V.A. Design of the Thickness Meters for Dielectric Coating // Telecommunications and Radio Engineering. – USA, N.–Y. – 2003. – №59 (7, 8, 9). – P. 172-176.

Здобувачем запропонований засіб контролю товщини діелектричних покриттів на основі застосування удосконаленого вихрострумового перетворювача.

2. Цеховський М.В., Кошовий М.Д., Гаєвий В.О. Вихрострумовий перетворювач, побудований на елементах Холла // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства ім. Петра Василенка. – Харків: ХДТУСГ. – 2004. – Вип. 27. – Т.2. – С. 194-197.

Здобувачем запропоновано один із шляхів вирішення проблеми контролю товщини діелектричних покриттів завдяки застосуванню в якості датчика вихрострумового перетворювача, побудованого на елементах Холла.

3. Кошовий М.Д., Цеховський М.В., Шевченко Т.О. Пристрій для вимірювання товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля. – Луганськ: СНУ. – 2004. – №12 (82). – С. 123-125.

Здобувач запропонував швидкодіючий та високоточний пристрій для контролю товщини діелектричних покриттів на металевих виробах, заснований на застосуванні накладного вихрострумового перетворювача та швидкодіючої системи обробки даних.

4. Оптимизация вихретоковых преобразователей / Н.Д. Кошевой, М.В. Цеховской, В.А. Дергачев, А.Н. Кухар // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. – Харьков: ХАИ. – 2006. – Вып. 33. – С.66-69.

Здобувачем отримано математичну модель вихрострумового перетворювача та визначено його раціональні конструктивні параметри.

5. Разработка и исследование вихретокового преобразователя / Н.Д. Кошевой, М.В. Цеховской, К.Ю. Дергачев, А.Н. Кухар //Збірн. наукових праць об’єднаного науково-дослідного інституту збройних сил. – Харків: ОНДІ ЗС. – 2007. – Вип. 1(6). – С. 235-239.

Здобувачем обґрунтовані запропоновані шляхи поліпшення техніко-економічних показників вихрострумових перетворювачів.

6. Пат. № 53334 А України, МКВ G01M3/40. Накладний електромагнітний перетворювач / М.Д. Кошовий, М.В. Цеховський, В.О. Гаєвий (Україна). – № 2002043566; Заявл. 29.04.2002; Опубл. 15.01.2003, Бюл. № . – 2 с.

Здобувач застосував допоміжні обмотки в конструкції вихрострумового перетворювача для визначення правильного його розташування відносно об’єкта контролю.

7. Пат. № 54064 А України, МКВ G01M3/40. Пристрій для вимірювання товщини діелектричних покриттів на металевих виробах / М.Д. Кошовий, М.В. Цеховський, В.О. Гаєвий (Україна). – № 2002043570; Заявл. 29.04.2002; Опубл. 17.02.2003, Бюл. № . – 3 с.

Здобувач розробив швидкодіючий та високоточний пристрій для контролю товщини діелектричних покриттів на металевих виробах, заснований на застосуванні удосконаленого накладного вихрострумового перетворювача та швидкодіючої системи обробки даних.

8. Пат. № 60137 А України, МКВ G01M3/40. Пристрій для вимірювання товщини діелектричних покриттів на металевих виробах / М.Д. Кошовий, М.В. Цеховський, В.О. Гаєвий (Україна). – № 2003020975; Заявл. 04.02.2003; Опубл. 15.09.2003, Бюл. №9. – 2 с.

Здобувач застосував удосконалений вихрострумовий перетворювач у розробленій швидкодіючій системі контролю товщини діелектричних покриттів.

9. Пат. № 75684 України, МПК (2006) G01B7/02. Вихрострумовий перетворювач / М.В. Цеховський, М.Д. Кошовий, В.О. Гаєвий (Україна). –№2004021056; Заявл. 13.02.2004; Опубл. 15.05.2006, Бюл. №5. – 2 с.

Здобувачем розроблено конструкцію вихрострумового перетворювача побудованого на елементах Холла.

10. Пат. № 18907 України, МПК (2006) G06F17/00. Автоматизована система для проведення багатофакторного експерименту / М.Д. Кошовий, Г.В. Дергачова, О.В. Світличний, М.В. Цеховський, В.П. Сіроклин (Україна). –  № 200606727; Заявл. 16.06.2006; Опубл. 15.11.2006, Бюл. № 11. – 3 с.

Здобувачем спрощено автоматизовану систему проведення багатофакторного експерименту шляхом уведення нового каскаду елементів та нової організації взаємозв’язків між ними.

11. Пат. № 21000 України, МПК G06F 11/30. Автоматизована система контролю / М.Д. Кошовий, Г.В. Дергачова, М.В. Цеховський, В.П. Сіроклин (Україна). – № ; Заявл. 18.09.2006.; Опубл. 15.02.2007, Бюл. № 2. – 3 с.

Здобувачем поліпшені показники швидкодії визначення значень параметрів покриттів розробленої автоматизованої системи контролю завдяки застосуванню нових взаємозв’язків між елементами системи.

12. Пат. № 21001 України, МПК (2007) G06F 11/30, G01B 7/02. Автоматизована система контролю якості покриття / М.Д. Кошовий, В.А. Дергачов, М.В. Цеховський, В.П. Сіроклин, Д.С. Троненко (Україна).  – № 200609957; Заявл. 18.09.2006; Опубл. 15.02.2007, Бюл. № 2. – 4 с.

Здобувачем розроблено автоматизовану систему контролю якості покриття, що спроможна визначати значення середньої товщини покриття та координати точок, у яких є відхилення.

13. Пат. № 21379 України, МПК (2006) G 06 F 11/30. Автоматизована система параметричного контролю / М.Д. Кошовий, Г.В. Дергачова, М.В. Цеховський, В.П. Сіроклин, Д.С. Троненко (Україна). – № 200609963; Заявл. 18.09.2006; Опубл. 15.03.2007, Бюл. № 3. – 3 с.

Здобувачем розширено функціональні можливості розробленої автоматизованої системи параметричного контролю.

14. Комп’ютерна програма “Програма синтезу планів багатофакторного експерименту” / М.Д. Кошовий, С.Г. Бестань, Г.В. Дергачова, М.В. Цеховський, В.П. Сіроклин // Свідоцтво про реєстр. авторського права на твір № 18150. – Зареєстр. в Держ. департ. інтелектуальної власності Мін. освіти і науки України 03.10.2006 р.

Здобувач розробив алгоритм роботи програми синтезу планів багатофакторного експерименту.

15. Кошовий М.Д., Цеховський М.В., Гаєвий В.О. Пристрій для вимірювання товщини діелектричних покриттів на металевих виробах // Сборник трудов международной научно-технической конференции “Приборостроение–2002”. – Винница–Алупка, 2002. – С. 44-45.

Здобувач запропонував швидкодіючу систему обробки даних пристрою для контролю товщини діелектричних покриттів на металевих виробах.

16. Кошовий М.Д., Цеховський М.В., Шевченко Т.О. Пристрій для вимірювання товщини діелектричних покриттів // Тези доповідей міжнародної науково-технічної конференції “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні. ІКТМ–2002”. – Харків: Нац. аерокосм. ун-т “ХАІ”, 2002. – С. 116.

Здобувачем запропоновані заходи по підвищенню завадостійкості вихрострумових перетворювачів.

17. Кошевой Н.Д., Цеховской М.В., Шевченко Т.А. Использование методов планирования эксперимента для получения оптимальных свойств антифрикционных покрытий // Тези доповідей міжнародної науково-технічної конференції “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні. ІКТМ–2002”. – Харків: Нац. аерокосм. ун-т “ХАІ”, 2002. – С. 200.

Здобувачем запропоновано використання вихрострумового товщиноміра для визначення якості антифрикційних покриттів.

18. Кошовий М.Д., Цеховський М.В. Проблеми проектування накладного електромагнітного перетворювача пристрою для вимірювання товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях // Материалы ХІІ международной научно-технической конференции “Приборостроение–2003”. –Винница–Кореиз, 2003. – С. 59-60.

Здобувачем проведено розрахунок параметрів вихрострумового перетворювача.

19. Цеховський М.В. Використання датчиків Холла для вимірювання товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях // Тези доповідей міжнародної науково-технічної конференції “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні. ІКТМ–2003”. – Харків: Нац. аерокосм. ун-т “ХАІ”, 2003. – С. 179.

20. Кошовий М.Д., Цеховський М.В., Гаєвий В.О. Проблеми проектування пристроїв для вимірювання товщини діелектричних покриттів // Сборник трудов международного симпозиума “Наука и предпринимательство”. – Винница–Каменец-Подольский, 2003. – С. 253-254.

Здобувачем запропоновані варіанти удосконалення пристроїв для контролю товщини діелектричних покриттів.

21. Кошевой Н.Д., Цеховской М.В., Гаевой В.А. Измеритель толщины диэлектрических покрытий на основе датчиков Холла // Сборник трудов международной научно-технической конференции “Приборостроение-2004”. – Винница–Ялта, 2004. – С. 77-80.

Здобувачем визначено вплив способу розташування обмоток вихрострумового перетворювача на якість контролю товщини покриттів.

22. Цеховський М.В. Методи підвищення точності вимірювання товщиноміра діелектричних покриттів на металевих поверхнях // Тези доповідей міжнародної науково-технічної конференції “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні. ІКТМ–2004”. – Харків: Нац. аерокосм. ун-т “ХАІ”, 2004. – С. 163.

23. Цеховський М.В. Використання вихрострумових перетворювачів, побудованих на елементах Холла, для автоматизації вимірювання товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях // Тези доповідей міжнародної науково-технічної конференції “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні. ІКТМ–2005”. – Харків: Нац. аерокосм. ун-т “ХАІ”, 2005. – С. 161.

24. Программное обеспечение для решения оптимизационных задач при выборе оптимальних комбинаторных планов / Н.Д. Кошевой, В.А. Дергачев, В.П. Сероклин, М.В. Цеховской, А.В. Светличный // Матеріали другої міжнародної науково-практичної конференції “Наукові дослідження – теорія та експеримент 2006”. – Полтава: Інтер Графіка, 2006. – Т. 6. – С. 140-142.

Здобувачем розроблено алгоритм генерації комбінаторних конфігурацій.

25. Цеховской М.В., Троненко Д.С. Автоматизация процессов контроля толщины покрытий // Тези доповідей міжнародної науково-технічної конференції “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні. ІКТМ–2006”. – Харків: Нац. аерокосм. ун-т “ХАІ”, 2006. – С. 220.

Здобувач застосував елементи реєстрації миттєвих параметрів технологічного процесу нанесення діелектричного покриття.

26. Цеховской М.В. Программно-аппаратные средства автоматизации и контроля технологических процессов // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції “Розвиток наукових досліджень 2006”. – Полтава: Інтер Графіка, 2006. – Т. 6. – С. 64-65.

анотації

Цеховський М.В. Вихрострумові перетворювачі для засобів контролю товщини діелектричних покриттів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. - Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2007.

Дисертація присвячена вирішенню науково-прикладної задачі вдосконалення вихрострумового методу, пристроїв та систем для перетворення товщини діелектричних покриттів, розробки програмно-апаратних засобів для автоматизації процесу контролю товщини діелектричного покриття, розробки оптимальних планів і їхнього застосування при дослідженнях систем, пристроїв і технологічних процесів.

Удосконалено вихрострумовий метод перетворення товщини діелектричних покриттів на металевих поверхнях виробів. Розроблені конструкції пристроїв для перетворення товщини. Отримані поліноміальні математичні моделі вихрострумового перетворювача. Встановлено ступінь впливу кожного з конструктивних параметрів на основні техніко-економічні показники, отримані раціональні конструктивні параметри перетворювача.

Розроблено апаратне, алгоритмічне й програмне забезпечення для систем контролю якості покриттів.

Ключові слова: вихрострумовий метод, вихрострумовий перетворювач, товщина діелектричного покриття, точність перетворення, параметрична оптимізація, система контролю.

Цеховской М.В. Вихретоковые преобразователи для средств контроля толщины диэлектрических покрытий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. - Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической задачи усовершенствования вихретоковых преобразователей для преобразования толщины диэлектрических покрытий на металлических поверхностях изделий. Усовершенствование вихретоковых преобразователей достигается за счет разработки нового метода, моделей и технических средств. Эта задача имеет большое значение для разработки теории и практики решения проблемы создания современных измерительно-вычислительных комплексов и систем управления.

Проведен анализ существующих методов и устройств для преобразования толщины диэлектрических покрытий на металлических поверхностях изделий. Показана целесообразность применения и усовершенствования вихретокового метода и реализующих его устройств.

Усовершенствован метод преобразования толщины диэлектрических покрытий на металлических поверхностях изделий за счет: применения способа контроля установки обмотки возбуждения преобразователя параллельно электропроводящей поверхности изделия и экранирования преобразователя; применения усовершенствованного накладного вихретокового преобразователя и цифровой обработки сигналов; применения способа измерения с использованием двух измерительных элементов Холла, соединенных дифференциально и расположенных по обе стороны сердечника.

Это дает возможность быстро и с большой точностью преобразовывать толщину диэлектрических покрытий на металлических изделиях, обеспечивать помехозащищенность и повысить эргономические показатели.

Впервые получены полиномиальные математические модели вихретокового преобразователя на базе двух измерительных элементов Холла, которые описывают связь основных технико-экономических показателей с конструктивными параметрами. Установлена степень влияния каждого из конструктивных параметров на технико-экономические показатели.

Получили дальнейшее развитие пути улучшения технико-экономических показателей вихретоковых преобразователей, которые основаны на интерпретации коэффициентов математических моделей и оптимизации по этим моделям, что дало возможность получить рациональные конструктивные параметры магнитной системы преобразователя на основе двух измерительных элементов Холла.

Создан опытный образец вихретокового преобразователя с параметрами, полученными при оптимизации по математическим моделям, который дает выигрыш по точности в 4 раза, а по массе почти в 4,5 раза.

Для автоматизации процесса контроля параметров технологического процесса в режиме “on-line”, т.е. оперативно - в процессе его нанесения, разработан программно-аппаратный комплекс. Аппаратные средства включают автоматизированную систему контроля, автоматизированную систему контроля параметров и автоматизированную систему контроля качества покрытия. Предложены структуры систем контроля качества покрытий и системы для проведения многофакторного эксперимента, которые позволяют автоматизировать процессы определения качества покрытий и реализации планов многофакторного эксперимента.

Разработано программное обеспечение для параметрического контроля технологических процессов, применение которого позволит автоматизировать процесс контроля параметров технологических процессов, протоколировать результаты контроля, своевременно выявлять отклонения от заданных допусков и уже на раннем этапе выявить заведомый брак, не дожидаясь окончания полного цикла изготовления изделия.

Ключевые слова: вихретоковый метод, вихретоковый преобразователь, толщина диэлектрического покрытия, точность преобразования, параметрическая оптимизация, система контроля.

Tsekhovskyi M.V. Vortex-current converters for the tools of thickness monitoring of dielectric coverings. – The Manuscript.

The dissertation to competition of a scientific degree Candidate of Technical Science on a speciality 05.13.05 – elements and devices of computer facilities and control systems. – National technical university “Kharkov polytechnical institute”, Kharkov, 2007.

The dissertation to decision of a scientific applied task of improvement vortex-current method, devices and systems for the converting of thickness of dielectric coverings, development of hardware-software tools for automation process of the monitoring of thickness of a dielectric covering, optimum plans development and their application to researches of systems, devices and technological processes is devoted.

Vortex-current method a quality converting of thickness of dielectric coverings on metal surfaces of products is advanced. Construction of devices for the converting of thickness is developed. Polynomial mathematical models of vortex-current converter are obtained. The influence degree each of constructional parameters to the basic technical and economic parameters is established, rational constructional parameters of the converter is obtained.

Hardware, algorithms and software for monitoring systems of coverings quality is derived.

Key words: vortex-current method, vortex-current converter, thickness of dielectric covering, accuracy of the converting, parametric optimization, system by monitoring.