close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Устройства бесконтактного контроля токопроводящих покрытий топливных баков летательных аппаратов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Самсонов Александр Сергеевич
УСТРОЙСТВА БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ
ТОКОПРОВОДЯЩИХ ПОКРЫТИЙ ТОПЛИВНЫХ БАКОВ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и
систем управления
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Самара – 2016
2
Работа выполнена на кафедре электротехники федерального
государственного автономного образовательного учреждения высшего
образования «Самарский национальный исследовательский университет имени
академика С.П. Королева» (Самарский университет).
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Скворцов Борис Владимирович.
Официальные оппоненты:
Батищев Виталий Иванович, доктор технических наук, профессор,
заведующий
кафедрой
информационных
технологий
федерального
государственного бюджетного образовательного учреждения высшего
образования «Самарский государственный технический университет»;
Лиманова Наталия Игоревна, доктор технических наук, доцент,
заведующая кафедрой информационных систем и технологий федерального
государственного бюджетного образовательного учреждения высшего
образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и
информатики».
Ведущая организация:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего
образования
«Уфимский
государственный
авиационный
технический университет», г. Уфа.
Защита диссертации состоится 09 декабря 2016 года в 12:00 часов на
заседании диссертационного совета Д 212.215.05 на базе федерального
государственного автономного образовательного учреждения высшего
образования «Самарский национальный исследовательский университет имени
академика С.П. Королева» по адресу: 443086, Самара, Московское шоссе, 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского
университета и на сайте http://www.ssau.ru/resources/dis_protection/samsonov/.
Автореферат разослан
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, доцент
С.В. Востокин
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Оперативный и достоверный
контроль токопроводящих покрытий (ТПП) топливных баков ракетнокосмических аппаратов является важной задачей, связанной с проблемами их
безопасной эксплуатации, транспортировки и обслуживания, особенно при
использовании криогенных топлив. Поверхность топливных баков, как правило,
покрывается теплоизоляцией. ТПП наносится на теплоизоляционный материал в
целях предотвращения накопления на нём статического электричества в
соответствии с ГОСТ, согласно которому необходимо металлизировать части
конструкций, которые образуют внешний контур изделия с площадью
поверхности более 0,20 м2, а при использовании в качестве топлива водорода – с
площадью более 0,02 м2. На ТПП наносится лакокрасочное покрытие, что
исключает визуальные и контактные методы контроля её целостности. В
процессе эксплуатации изделия, во время технологических перекладок и
обслуживания возможно появление на ТПП замкнутых трещин, либо участков
без покрытия. На дефектных участках ТПП скапливаются заряды статического
электричества, которые могут привести к образованию разрядной искры и
возгоранию изделия. Для обеспечения сохранности изделия, наземного
комплекса и людей необходим контроль целостности ТПП.
Степень разработанности темы. Известны различные методы
неразрушающего контроля металлических изделий, в том числе радиационные,
тепловые, ультразвуковые, магнитные, вихретоковые. Однако эти методы имеют
существенные ограничения, особенно при контроле многослойных
крупногабаритных изделий. Например, радиационные методы требуют
биологической защиты, ультразвуковые – требуют механического контакта,
вихретоковые очень критичны к толщине и равномерности ТПП. На
крупногабаритных изделиях, таких как бак летательного аппарата, колебания
толщины ТПП составляют 0,005-0,010 мм, что делает применение вихретоковых
методов практически невозможным. Кроме того, вихретоковые методы
обеспечивают обнаружение всех имеющихся дефектов, что нецелесообразно для
решения поставленной задачи и увеличивает время контроля, снижает
производительность труда.
Большой вклад в развитие теории, проектирования и освоения емкостных
датчиков
внесли
отечественные
научно-технические
организации:
МГТУ им. Н. Баумана, ПГ «Метран» (г. Челябинск), АО «НИИФИ» (г. Пенза),
ГК «ПРОМПРИБОР», Всероссийский научно-производственный институт
автоматики им. Н.Л. Духова, НПО «Измерительная техника» (г. Королев),
а также зарубежные: Honeywell International Inc., Fisher-Rоsemount Inc. (США),
Denso Corporation, Yokogawa Electric Corporation, Motorola, Matsushita Electronic
Ind. Co, Hitachi Ltd, Alps Electric Co Ltd (Япония). Современные методы
бесконтактного контроля изделий сформировались на базе исследовательских
работ и изобретений известных ученых: Е.П. Осадчего, Д.И. Агейкина,
А.С. Левицкого, Е.А. Мокрова, В.П. Бухгольца, Э.Г. Тисевича, Б.М. Тареева,
В.В. Клюева, В.А. Ацюковского, А.И. Тихонова, В.А. Тихоненкова, Г. Виглеба,
И. Форейта, Ю.Я. Иоселя, Л.Ф. Куликовского, В.С. Мелентьева, Н.Е. Конюхова,
К.Л. Куликовского, Ю.B Стеблева, В.И. Батищева и включает в себя разработку
и исследование созданных автором оригинальных устройств контроля ТПП.
4
В работе уделено внимание теоретическому исследованию процесса
формирования сигнала при идентификации дефекта, описанию динамического
режима
сканирования
и
анализу
информационно-метрологических
характеристик устройства.
Цель и задачи работы. Целью работы является улучшение технических
характеристик устройств бесконтактного контроля целостности ТПП топливных
баков ракетно-космических аппаратов.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих
основных задач:
1) Анализ существующих методов и устройств контроля целостности
ТПП топливных баков и выявление основных направлений их развития.
2) Разработка физико-математической модели бесконтактного емкостного
контроля целостности ТПП. Определение функции преобразования датчика.
3) Имитационное моделирование динамического режима сканирования
поверхности топливного бака и локализации области дефекта.
4) Разработка структурных, функциональных схем устройств контроля,
конструкций и алгоритмов обработки сигналов.
5) Метрологический анализ и исследование влияния климатических
факторов на характеристики разработанных устройств.
6) Экспериментальные исследования, разработка методов повышения
точности контроля.
Научная новизна:
1) Разработана функция преобразования емкостного датчика контроля
целостности ТПП, основанная на моделировании и расчете электрического поля
многослойной структуры с учётом полей рассеивания, содержащей различные
виды дефектов.
2) Разработана и исследована компьютерная динамическая модель
устройства контроля ТПП, с возможностью исследования влияния скорости
сканирования, климатических и конструкционных факторов, нестабильности
воздушного зазора на процесс формирования информационного сигнала.
3) Получены аналитические выражения, определяющие метрологические
характеристики устройства контроля ТПП, связывающие между собой скорость
сканирования, конструкционные параметры и погрешности комплектующего
оборудования.
Теоретическую и практическую значимость работы составляют:
1) Теоретическое обоснование возможности использования емкостных
методов для контроля изолированных дефектов ТПП.
2) Действующий макетный образец устройства контроля ТПП.
3) Структурные и функциональные схемы системы контроля, техническое
задание на выполнение опытно-конструкторской работы предприятием
АО «РКЦ «Прогресс», созданное с использованием материалов диссертации.
4) Рекомендации по улучшению технических характеристик устройства
контроля ТПП.
5) Алгоритмы
и
программы
обработки
сигналов.
Схемы,
иллюстрирующие возможности реализации разработанных технических
решений.
5
Методология и методы исследования. При решении поставленных
задач использовались: теория электрического поля, методы дифференциального
и интегрального исчислений, теория погрешностей. При моделировании и
проведении численных расчетов на ЭВМ использовались пакеты MATHCAD и
MATLAB-SIMULINK.
Положения, выносимые на защиту:
1) Функция преобразования емкостного датчика контроля целостности
ТПП, основанная на моделировании и расчёте электрического поля
многослойной структуры с учётом полей рассеивания, содержащей различные
виды дефектов.
2) Компьютерная динамическая модель устройства контроля ТПП с
возможностью исследования влияния скорости сканирования, климатических и
конструкционных факторов, нестабильности воздушного зазора на процесс
формирования информационного сигнала.
3) Аналитические
выражения,
определяющие
метрологические
характеристики устройства контроля ТПП, связывающие между собой скорость
сканирования, конструкционные параметры и погрешности комплектующего
оборудования.
4) Результаты экспериментальных исследований и практической
реализации разработанных устройств.
Степень достоверности и апробация результатов работы.
Достоверность результатов определяется экспериментальными исследованиями,
подтверждающими основные теоретические положения работы, которые не
противоречат известным положениям фундаментальной науки.
Работа выполнялась при поддержке федеральной целевой программы
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2014-2020 гг.» (соглашение от
01 августа 2014 г. № 14.574.21.0094).
Результаты работы доложены на Всероссийской научно-технической
конференции
«Актуальные
проблемы
ракетно-космической
техники
(III Козловские чтения)» (г. Самара) в 2013 г., Всероссийской научнотехнической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и
телекоммуникаций» (г. Самара) в 2016 г.
По результатам исследований и разработок опубликовано 10 работ, в том
числе 3 статьи в рецензируемых журналах (рекомендованных ВАК РФ),
получено 4 патента, изготовлен макетный образец устройства контроля ТПП,
используемый в ООО «Аналитические приборы и системы». Материалы
диссертации используются на предприятии АО «РКЦ «Прогресс» при
выполнении опытно-конструкторской работы, а также в учебном процессе
Самарского университета в курсовом и дипломном проектировании.
Все результаты, определяющие научную новизну работы, получены
автором лично. Техническая реализация и экспериментальные исследования
проведены совместно с сотрудниками НИЛ-54 «Аналитические приборы и
системы» Самарского университета.
Диссертация изложена на 165 страницах, включает в себя 80 рисунков,
15 таблиц, 6 приложений. Список литературы содержит 93 источника. Основное
содержание работы состоит из введения, пяти глав и заключения.
6
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, изложены цель и задачи
исследований, приведены положения, выносимые на защиту, дана краткая
характеристика диссертационной работы.
В первой главе приведены сведения о конструкциях топливных баков
ракетно-космических аппаратов и правила их безопасной эксплуатации. Указано,
что ТПП водородного топливного бака не должно иметь изолированных дефектов
площадью более 0,02 м2 [1]. Описаны виды ТПП и дана классификация дефектов,
которые могут иметь вид либо замкнутой трещины, либо отсутствия покрытия,
полностью или частично скрытого наружным лакокрасочным материалом [2]. Дан
обзор методов и устройств бесконтактного контроля различных видов ТПП, среди
которых как базовый выделен емкостной метод [2-8]. Определены основные
проблемы и направления развития емкостных методов контроля ТПП,
реализованные в данной работе в виде запатентованных конструкций.
На рисунке 1 приведена базовая
конструкция устройства контроля ТПП,
защищённая патентом [7], на основе которой
проводятся дальнейшие исследования. Здесь
электрод 3 перемещается платформой 2
вдоль ТПП 8 с зазором, контролируемым
датчиком 6. Платформа 2 управляется
сигналами устройства обработки 4, в
которое с электрода 3 поступает сигнал,
Рисунок 1 – Устройство контроля ТПП
пропорциональный текущему значению
ёмкости конденсатора, образованного электродом 3 и ТПП 8, а также сигналом с
датчика зазора 6. Фиксируемые значения Стек. сравниваются в устройстве
обработки 4 с эталонным значением ёмкости Сэ и вычисляется разность
ΔСтек. = Сэ – Стек. . Устройство обозначения дефекта 5 маркирует на слое
защитного покрытия 7 дефектную область по сигналу устройства обработки 4,
который появляется в случае, если выполняется неравенство ΔСтек. ≥ ΔСдоп.,
где ΔСдоп. – допустимое значение отклонения, выбираемое исходя из требуемой
чувствительности устройства. Изобретение позволяет повысить точность
контроля за счёт применения датчика воздушного зазора. На рисунке 1:
9 – участок ТПП с дефектом, 10 – теплоизоляция, 11 – металлический корпус
бака. В работе также описывается другая запатентованная конструкция [9], в
которой вместо одного электрода перемещается матрица электродов (рисунок 2),
позволяющая более точно идентифицировать положение криволинейных
дефектов. Определены проблемы, связанные с теоретическим анализом
заявленных устройств.
Во второй главе рассмотрены теоретические основы емкостных методов
и устройств контроля ТПП. Приводится физико-математическая модель датчика,
которая представляется в виде гальванически связанной группы электродов,
образующей с ней многослойный конденсатор (рисунок 2).
7
Площадь
всей
матрицы
электродов не меньше площади
минимально допустимого дефекта.
ТПП соединено со стенкой бака,
который следует рассматривать как
элемент контролируемой структуры,
так как при наличии дефекта он
влияет
на суммарную
емкость
датчика. К электродам подводится
напряжение. В структуре создаётся
электрическое поле, определяющее
суммарный ток через электроды,
амплитуда и фаза которого зависят от
емкости и проводимости датчика,
которые определяются дефектами
ТПП.
Целью
математического
моделирования является расчёт и
анализ
электрического
поля
в
Рисунок 2 – Иллюстрация к математической
многослойной
структуре
датчика,
модели
определение
на
его
основе
1 – стенка бака, 2 – теплоизоляция, 3 – ТПП,
4 – лакокрасочное покрытие, 5 – электроды,
информационных
сигналов,
6 – плата, 7 – замкнутый дефект ТПП
характеризующих дефекты в ТПП. В
диссертации показано, что в случае линейности и изотропности среды
электрическое поле в датчике описывается уравнением:
(
)
[(
)
]
,
(1)
где σ, ε, U – проводимость, диэлектрическая проницаемость и напряжение в
каждой точке структуры датчика и вокруг него – это трёхмерные функции
координат; G, С – суммарные проводимость и ёмкость датчика, определяемые с
учётом полей рассеивания; V – объем электродов. Общее решение складывается
из действительной и мнимой составляющих решения (1), и определяет
амплитуду и фазу напряжения в каждой точке структуры датчика. В общем
случае комплексный суммарный ток датчика зависит от площади дефекта и
конструкционных параметров обобщённой функцией
I  F (S , dk , k , k , ,Um )  A(S , dk , k , k , ,Um )e( S , d k ,k , k ,,U m ) , (2)
где Sд – площадь дефекта, dk – толщина каждого слоя,
– проводимость и
диэлектрическая проницаемость каждого слоя,
– частота и напряжение
питания датчика. Формулы (1) и (2) вместе с другими промежуточными
соотношениями, приведёнными в диссертации, представляют собой
обобщённую физико-математическую модель предложенного метода контроля
ТПП.
Аналитическое решение уравнения (1) невозможно, так как
рассматриваемая структура неоднородна. По вертикальному разрезу задача
сводится к расчёту плоского поля. Для учёта поля рассеивания решение
проводилось численным методом в условно расширенной области, состоящей из
датчика и ограниченного пространства вокруг него, влияние размера которого
8
оценивалось численным экспериментом. Для этого рассматриваемое
пространство описывалось идентификационным массивом, определяющим
проводимость σ(x, z) и диэлектрическую проницаемость ε(x, z) в каждой точке
поля. Решение проводилось методом конечных разностей (процесс Либмана), с
нулевыми условиями на границах расширенной области. В результате
определялась суммарная проводимость G и ёмкость C датчика при различных
видах дефектов. Расчёты показали, что дефекты мало влияют на проводимость,
при этом ёмкость датчика существенно зависит от их размеров. В частности
определён закон изменения ёмкости при смещении электрода над замкнутым
дефектом, который имеет вид, показанный на рисунке 3.
а)
б)
Рисунок 3 – изменение ёмкости датчика при перемещении электрода над дефектом
при b = 100 мм, D = 140 мм
b – ширина электрода, D – размер дефекта, х0 – начальная координата дефекта, d – воздушный зазор
Проведены расчёты для других видов дефектов, выходящих и не
выходящих на поверхность в виде трещины, отсутствия ТПП, при различных
соотношениях конструкционных размеров. Рассмотренная методика позволяет
анализировать электрические поля в неоднородных средах, проводить расчеты
информационных характеристик датчика при различных конструктивных
параметрах и размерах дефектов, определить результирующую функцию
преобразования прибора с учётом того, что по техническим условиям размеры
малых дефектов должны не приниматься во внимание. График на рисунке 3б
иллюстрируют функцию преобразования емкостного датчика С(х) при скорости
сканирования много меньшей скорости инерционных процессов схем обработки
сигнала. На основе численных расчетов, а также аналитических исследований
дана оценка влияния паразитных емкостей на информационный сигнал датчика.
Показано, что отношение паразитной ёмкости СП к базовой С0 определится:
[ (
)
]
(
),
(3)
где dВ, dЛ, εВ, εЛ – толщина и диэлектрические проницаемости воздуха и
лакокрасочного покрытия. Формула (3) позволяет выбрать такие значения ширины
электрода b и толщины воздушного зазора dВ при которых полем рассеивания
можно пренебречь с заданной погрешностью. Определены условия, при которых
функцию преобразования, показанную на рисунке 3б можно описать аналитически.
(4)
C( x)  C1  C2  C3 .
при x≤x0
C1   0
d d
b2
, С2 = 0, С3 = 0, А  в  л ,
A
в  л
B
d П dТ
 ;
 П Т
9
при x0≤x≤(x0+b),
при (x0+b)≤x≤(x0+D)
b(b  x  x0 )
b( x  x0 )
, C2   0
, C3 = 0;
A B
A
b2
C2   0
C1 = 0,
,
C3 = 0;
A B
C1   0
b(b  x  x0  D)
b( x  x0  D)
, C3   0
;
A B
A
b2
при x≥(x0+b+D)
C1 = 0, C2 = 0, C3   0 .
A
Приближённая математическая модель (4) определяет функцию
преобразования датчика, показанную на рисунке 3б, в виде отрезков прямых.
Погрешность модели γ<1 %, что свидетельствует о корректности разработанных
теоретических
положений.
Проведено
имитационное
моделирование
динамического режима сканирования поверхности топливного бака и
локализации области дефекта.
Общий процесс контроля
иллюстрируется рисунком 4,
согласно
которому
датчик
перемещается
вдоль
поверхности
координатнопозиционным
устройством,
управляемым электроприводом.
При проходе датчика по всей
длине, бак поворачивается на
фиксированный
угол,
определяемый
размером
электрода,
и
процесс
Рисунок 4 – Структурная схема устройства контроля
сканирования повторяется. Если
ТПП топливного бака
под электродом оказывается
1 – топливный бак, 2 – сканирующая платформа,
дефект, то форсунка делает на
3 – датчик зазора, 4 – емкостной датчик, 5 – форсунка,
баке линию, соответствующую
6 – блок управления, 7 – устройство управления
его длине по траектории
форсункой, 8 – электропривод платформы, 9 – датчик
положения, 10 – электропривод поворота бака,
сканирования.
Скорость
11 – датчик угла поворота, 12 – компьютер,
сканирования
является
13 – датчик температуры
важнейшим
параметром
процедуры контроля, влияющим на информационные сигналы. Моделирование
проводится в программе MATLAB-SIMULINK. Функциональная схема
моделирования приведена на рисунке 5 [10].
В емкостном датчике табличной функцией F5(х, d) задаётся закон
изменения ёмкости от координаты х и зазора d. Эта функция моделирует
расположение дефекта, который имеет вид, показанный на рисунке 3б. При
отсутствии дефекта F5(х, d) = Const. Динамическое звено преобразования
емкости в электрический сигнал описывается передаточной функцией
при (x0+D)≤x≤(x0+b+D) C1 = 0,
C2   0
W6 ( p)  k6 (T p  1) . В модели датчика [7] изменение зазора по координате задаётся
6
табличной функцией F7(х), значение которой преобразуется в электрический
10
k
сигнал динамическим звеном с передаточной функцией W7 ( p)  7 (T p  1) .
7
Функция F7(х) моделирует изгибы поверхности относительно эталонного
значения, в идеальном случае F7(х) = Const.
Рисунок 5 – Функциональная схема моделирования устройства контроля ТПП
1, 2 – блоки задания времени и скорости, 3 – блок умножения, 4 – подсистема «стоп»,
5 – емкостной датчик, 6 – звено преобразования емкости, 7 – датчик зазора,
8 – формирователь опорного сигнала, 9 – сравнивающее устройство, 10 – устройство обработки,
11 – устройство управления форсункой, 12 – блок записи
В звене формирования опорного сигнала U0, моделируется функция F8(d),
которая показывает: как нужно скорректировать эталонное значение сигнала при
изменении зазора, чтобы его изменение не было принято как дефект; при
d = Const, F8(d) = Const. Сравнивающее устройство вычитает параметры
сигналов, соответствующих текущему и эталонному значениям емкости датчика
ΔU = U0 – U. Устройство обработки, осуществляет вычисление относительного
отклонения γ и его анализ, на основе которого, при γ>γ0, выдает сигнал
управления на форсунку, которое делает отметку о наличии дефекта. Устройство
управления форсункой моделируется звеном запаздывания W11 ( p)  e p . Блок
записи фиксирует в виде протокола текущее значение емкости и зазора в
зависимости от координаты поверхности. Разработанная модель позволяет
исследовать устройство при изменении следующих параметров: скорости
перемещения платформы, неровностей поверхности, дефектов ТПП бака,
инерционности датчиков и исполнительного устройства. В диссертации
приведены примеры моделирования и исследовано влияние скорости
сканирования и постоянных времени датчиков на информационные сигналы и
погрешность определения координат дефекта. Показано, что увеличение
скорости и постоянных времени схем обработки сигналов приводит к
уменьшению амплитуды изменения сигнала дефекта и смещение его по
направлению сканирования. Анализ данных моделирования показал совпадение
местоположения дефекта с его положением, реально заданным блоком 5 и
независимость результатов от изменения зазора.
В третьей главе приведена обобщённая структурная схема устройства
контроля ТПП, показанная на рисунке 4. Рассмотрена элементная база,
схемотехника и алгоритмы обработки сигналов [3, 6]. Показано, что в качестве
координатно-позиционирующего и сканирующего устройства может быть
применён робот Альфа-Джет Роботик-4600-20/2,5-4004/14-IRBP/5000L, который
имеет максимальную погрешность позиционирования ±0,5 мм. Дан обзор
11
датчикам зазора, на основании которого принято решение о возможности
использования индуктивных, либо оптических триангуляционных датчиков ОD
и ODH, которые могут быть применены при условии технической адаптации. В
качестве электрически управляемой форсунки предложено использовать
аэрограф INTERTOOL DT-5001. Рассмотрены методы и схемы обработки
сигналов при ёмкостных измерениях. Приведены мостовая и частотная схемы
блока обработки управления на базе контроллера AT90S8515, и принципиальная
схема на основе специальной элементной базы со сверхвысоким входным
сопротивлением до 1012 Ом.
В четвертой главе рассмотрены виды погрешностей и сформулированы
задачи метрологических исследований, заключающиеся в обеспечении
требуемой точности локализации дефекта, а также определении требований к
комплектующим элементам устройства по погрешности и быстродействию.
Математической основой метрологического анализа является статическая
функция преобразования датчика дефекта при перемещении сканирующего
электрода (4). При исследовании основных погрешностей предполагаем, что
скорость сканирования настолько мала, что инерционностью измерительного
процесса можно пренебречь. Из рисунка 3б видно, что минимальное значение
ёмкости зависит от размера дефекта. Дефект определяется по уменьшению
емкости на величину заданного отклонения ΔС (рисунок 6), по которой можно
идентифицировать
дефект,
превышающий
по
размеру
допустимую
величину:
CMAX  C( x)  C – дефекта нет,
CMAX  C( x)  C – дефект есть.
При
заданном
ΔС
погрешность
локализации
координаты дефекта определится
по формуле:
(
(
Рисунок 6 – Иллюстрация к определению
погрешности координаты дефекта при b = 0,1 м
)
)
.
(5)
Если
размер
электрода
выбрать
больше
минимально
допустимого дефекта D0 , то подбирая порог идентификации дефекта ΔС ≈ Сʹ,
можно автоматически игнорировать мелкие дефекты, размер которых D < D0.
При b = KЭ∙D0 , где KЭ > 1,0 – коэффициент размера электрода, порог
идентификации определится по формуле:
(
).
(6)
При этом будет иметь место систематическая аддитивная (методическая)
погрешность координаты дефекта:
(
)
.
(7)
Формула (6) является базовой для определения требований к
конструкционным параметрам устройства. При заданном D0, толщине dТ , dЛ , dП
и материале слоёв можно найти ширину электрода b и величину воздушного
12
зазора dB такие, при которых Δ0 будет иметь допустимое значение.
Систематическая погрешность компенсируется конструкционными методами.
Дана оценка влияния погрешности датчика зазора на погрешность фиксации
координаты дефекта.
Исследована температурная погрешность. Показано, что температурный
коэффициент αС ёмкости датчика определяется температурными изменениями
размеров электрода, толщины и диэлектрической проницаемости слоёв.
Получены общие формулы для определения температурной погрешности
многослойной структуры. Показано, что для разработанной конструкции
С  8,1104 [1/°С], и все температурные изменения емкости в диапазоне
температур от минус 10 °С до плюс 50 °С составляют не более 4,5 %. Это
приведёт к погрешности определения координаты дефекта Δx < 1 мм.
Корректирование температурной погрешности осуществляется путем введения
сигнала датчика температуры и использования его в алгоритмах вычислений.
Более существенными являются динамические погрешности, которые
определяются инерционностью T процессов изменения емкости и схем
обработки сигналов при перемещении электрода со скоростью V, которая
определяет общее время контроля изделия, но ограничена допустимой
величиной динамической погрешности.
На рисунке 7 показано
изменение
емкости
при
различных
скоростях
сканирования.
Графики
получены на основе расчётов по
модели,
приведённой
на
рисунке 5.
При увеличении скорости
V и постоянных времени
звеньев
Т,
уменьшается
минимальное значение емкости,
соответствующее
наличию
Рисунок 7 – Иллюстрация к определению
дефекта на поверхности. Также
динамической погрешности устройства контроля ТПП
смещается координата центра
D = b, Т = Т6 = Т7 = 0,1 с
дефекта. При V → ∞ или T → ∞
разность между максимальным и минимальным значениями емкости стремится к
нулю ( C0  CMAX  CMIN ) → 0. При выбранном пороге ΔС и значениях V и Т
возникнет ситуация, когда электрод «проскочит» дефект, при этом емкость не
успеет измениться на величину, большую порогового значения ΔС. Получена
формула, связывающая скорость сканирования, допустимую динамическую
погрешность ΔхД и конструкционные параметры датчика:
С (A B)  b 0 x Д
.
(8)
V
С (A B)
b 0T  ln[1 
]
С (A B)  b 0 x Д
Формула (8) справедлива при x0 < х < (x0+b). По заданной погрешности
ΔхД и известных конструкционных параметрах можно найти предельную
скорость сканирования.
13
Рисунок 8 – График определения
предельной скорости сканирования по заданной
динамической погрешности
Таблица 1 – Сводная таблица погрешностей
№
1
2
3
4
Причина погрешности
Порог обнаружения
Датчик воздушного зазора
Температура
Скорость сканирования
Обозначение
Δс
ΔВ
Δθ
ΔД
График
изменения
скорости
сканирования
в
зависимости от динамической
погрешности, при различных Т
показан на рисунке 8.
Сводные
значения
погрешностей приведены в
таблице 1.
Полученные значения
являются завышенными, так
как определены для самых
неблагоприятных
случаев,
когда все виды погрешностей
имеют
максимальные
составляющие компоненты.
Значения, мм
1,0-4,0
0,2-0,8
0,0-0,7
1,0-5,0
Примечание
при b = 0,1 м
–
–10 °C < θ < 50 °C
0,05 м/с < V < 0,20 м/с
Суммарная погрешность всей системы определяется по формуле
√
1,48-6,50 (мм).
(9)
В
пятой
главе
описаны
экспериментальные исследования, целью
которых являлось подтверждение основных
теоретических
положений
и
оценка
эксплуатационных
характеристик
разработанного устройства. Для проведения
испытаний в соответствии с разработанной
программой изготовлены макетные образцы
емкостного
датчика
и
устройства
Рисунок 9 – Макетный образец
сканирования, которые базировались на
устройства контроля ТПП
лабораторном
испытательном
стенде,
показанном на рисунке 9. В качестве макета ТПП выбран фольгированный
стеклотекстолит марки FR4. Размер листа: 350х450х1,5 мм; толщина
ТПП: 18 мкм. Поверхность бака имитируется алюминиевым листом 600х800 мм,
толщиной 1,5 мм. Теплоизоляция имитируется листом пенопласта толщиной
40 мм. Зазор между поверхностью и электродом составлял 1,5 мм. Исследования
проводились с помощью прибора Е7-14, который имеет диапазон измерения
емкости 10-15-1 Ф, погрешность не более 0,1 %. Измерения проводились на
частоте 1 кГц. Сначала исследовались краевые эффекты на неповреждённом
участке ТПП, экспериментально определялись электрические параметры
модели. При исследовании повреждённой поверхности, которая имела
изолированный дефект размером 150х250 мм, датчик смещался над трещиной.
14
На рисунке 10 приведен
график,
на
котором
сопоставляются
результаты
экспериментов
с
теоретическими расчетами.
Проведены исследования,
связанные с перемещением
датчика
над
дефектами
Рисунок 10 – Зависимость ёмкости от
различных размеров, которые
перемещения ёмкостного датчика над трещиной
подтвердили
данные
теоретических расчетов и корректность математической модели. В целом
созданный макетный образец устройства контроля целостности ТПП подтвердил
возможность локализации дефектов с погрешностью ±2 мм при скорости
сканирования меньше 0,02 м/с.
Экспериментальные
исследования
подтвердили
эффективность
предложенного метода контроля, который может быть положен в основу
создания промышленного образца изделия. Разработанный макетный образец
внедрен в ООО «Аналитические приборы и системы», где используется как
базовая конструкция для создания опытного образца устройства контроля ТПП.
Материалы диссертации используются при разработке технологии контроля
ТПП, в частности: на корпусе агрегатного отсека изделия 47КС; на внешней
поверхности изделий «Фотон-М» и «Бион-М»; на теплозащитном покрытии
бака «O» первой ступени изделия «Союз-2». Результаты работы используются
также в учебном процессе Самарского университета в рамках дипломного
проектирования и научно-исследовательской деятельности студентов и
аспирантов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1 ) Разработаны и запатентованы бесконтактные устройства емкостного
контроля ТПП, которые выгодно отличаются от известных высокой
оперативностью,
простотой
технической
реализации,
надёжностью,
возможностью оперативной настройки на исключение дефектов, меньших
заданных размеров.
2 ) Дано теоретическое обоснование и создана физико-математическая
модель бесконтактного контроля ТПП топливного бака, основанная на
определении ёмкости многослойной неоднородной структуры датчика на основе
описания электрического поля с учётом конструкционных параметров и
эффектов рассеивания. Проведены конечно-разностные расчеты электрического
поля в структуре датчика при наличии различных видов дефектов и анализ
полученных на их основе интегральных характеристик, определяющих функцию
преобразования датчика при различных конструкционных параметрах
устройства и размерах дефекта. Разработаны аналитические методы определения
функции преобразования датчика дефектов ТПП, подтвердившие корректность
математической модели и результатов конечно-разностных расчётов поля в
структуре устройства.
3 ) Проведено имитационное моделирование динамического режима
сканирования поверхности топливного бака с учётом инерционности схемы
обработки сигналов, в результате которого определено влияние скорости
15
перемещения датчика и изменения воздушного зазора на его функцию
преобразования при различных видах дефектов и конструкционных параметрах
устройства. Определён алгоритм компенсации влияния воздушного зазора на
результаты контроля. Разработаны структурные и принципиальные схемы, а
также алгоритм работы процессора в устройстве контроля ёмкости датчика
дефекта, которые позволяют отстраниться от влияния изменения зазора и
температуры контролируемого изделия.
4 ) Проведены
метрологические
исследования
разрабатываемых
устройств, на основе которых решаются задачи оценки погрешности
локализации дефекта при условии игнорирования дефектов, не превышающих
допустимых размеров. Погрешности определения границ дефектов
складываются из погрешности, вызванной наличием порога обнаружения,
заданного максимальным размером игнорируемого дефекта, погрешности
датчика воздушного зазора, а также температурной погрешности. Динамическая
погрешность определяется скоростью сканирования и инерционностью датчиков и
схем обработки сигналов и зависит от конструкционных параметров устройства.
Получены аналитические выражения связывающие погрешность локализации,
скорость сканирования и конструкционными параметрами устройства.
5 ) В результате экспериментальных исследований макетного образца
устройства показано, что абсолютная погрешность локализации дефекта
составляет ±2 мм при скорости сканирования 0,02 м/с, порог чувствительности
зависит от размера сканирующего электрода. В целом метрологический анализ
показал возможность создания устройства, позволяющего фиксировать границы
дефекта с погрешностью не превышающей Δ∑ = ±3 мм.
6 ) Макетный образец устройства внедрён в ООО «Аналитические
приборы и системы», где используется как базовая конструкция для создания
опытного образца системы контроля ТПП. Материалы диссертации
используются при разработке технологии контроля ТПП: агрегатного отсека
изделия 47КС, на внешней поверхности изделий «Фотон-М» и «Бион-М», на
теплозащитном покрытии бака «O» первой ступени изделия «Союз-2».
Результаты работы используются также в учебном процессе Самарского
университета.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Самсонов, А.С. Контроль целостности токопроводящего покрытия
топливных
баков
летательных
аппаратов
[Текст] / А.С. Самсонов,
Б.В. Скворцов // Авиакосмическое приборостроение. – 2015. – №9. – С. 34-40.
2. Скворцов, Б.В. Проблемы
дефектоскопического
контроля
токопроводящего покрытия топливных баков летательных аппаратов [Текст] /
Б.В. Скворцов, А.С. Самсонов, Д.И. Блинов, С.Ф. Ильмурзина, С.А. Самсонов //
Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2016. – т.18,
№1. – С. 114-118.
3. Самсонов, А.С. Система
дефектоскопического
контроля
токопроводящего покрытия топливных баков летательных аппаратов и её
имитационное
моделирование
[Текст] / А.С. Самсонов,
Б.В. Скворцов,
Д.М. Живоносновская // Вестник Самарского государственного технического
университета. – 2016. – №2. – С. 121-127.
16
в прочих изданиях:
4. Скворцов, Б.В. Анализ систем измерения уровня заправки ракетБ.В. Скворцов,
С.А. Борминский,
носителей
[Текст] / А.С. Самсонов,
Д.И. Блинов // Вестник
Самарского
отделения
Поволжского
центра
метрологической академии России «Информационные, измерительные и
управляющие системы». – 2012. – №12. – С.28-37.
5. Самсонов, А.С. Проблема
диагностирования
антистатического
токопроводящего покрытия топливных баков ракет-носителей и вариант её
решения [Текст] / А.С. Самсонов, Д.И. Блинов // Сборник трудов Всероссийской
научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической
техники (III Козловские чтения)», г. Самара, 2013 г. – С. 443-450.
6. Авторское свидетельство SU 1543223 МПК G01В7/30 Преобразователь
угловых
перемещений
[Текст]
/
А.С. Самсонов,
А.И. Никонов,
А.Г. Семиколенов, М.В. Касперов. – №4325076/24-28; заявл. 09.11.87;
опубл. 15.02.90; бюл. №6. – 6 с.
7. Патент на полезную модель RU 159780 МПК G01N27/24 Устройство
контроля целостности токопроводящего покрытия на диэлектрическом материале
[Текст] / Б.В. Скворцов, А.С. Самсонов, Д.И. Блинов; заявитель Самарский
государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва,
патентообладатель Самарский национальный исследовательский университет. –
№2015154359/28; заявл. 17.12.15; опубл. 20.02.16; бюл. №5. – 2 с.
8. Патент на изобретение RU 2504730 МПК G01В7/02 Способ контроля
целостности токопроводящего покрытия на диэлектрическом материале [Текст] /
А.С. Самсонов,
А.И. Никонов,
В.В. Прокофьев,
А.Н. Филатов,
Р.А. Помельников; заявители Государственный научно-производственный
ракетно-космический центр «ЦСКБ-Прогресс», Самарский государственный
технический университет; патентообладатели Ракетно-космический центр
«Прогресс», Самарский государственный технический университет. –
№2012130998/28; заявл. 19.07.2012; опубл. 20.01.2014; бюл. №2. – 7 с.
9. Авторское свидетельство SU 1840845 МПК G01В7/32 Способ
емкостного контроля токопроводящего слоя на диэлектрике [Текст] /
А.С. Самсонов; заявитель и патентообладатель Волжское конструкторское бюро
ракетно-космической корпорации «Энергия». – №4524266/28; заявл. 03.10.89;
опубл. 27.12.12; бюл. №36. – 8 с.
10. Самсонов, А.С. Имитационное
моделирование
процесса
дефектоскопии токопроводящего покрытия топливных баков летательных
аппаратов [Текст] / А.С. Самсонов, Д.М. Живоносновская // Сборник трудов
Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы
радиоэлектроники и телекоммуникаций», г. Самара, 2016 г. – С. 28-31.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
13
Размер файла
1 027 Кб
Теги
баков, контроля, бесконтактного, токопроводящим, покрытия, топливных, летательных, аппаратов, устройства
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа