Усовершенствование метода переходных процессов для дистанционного контроля электропроводности проводящих объектов в виде оболочек вращения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Воробьев, Владимир Александрович

• Воробьев, Владимир Александрович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Воробьев, Владимир Александрович

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ НО ИССЛЕДУЕМОЙ ПРОБЛЕМЕ

1 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК РАССЕЯННОГО ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СФЕРОИДАЛЬНОЙ ОБОЛОЧКЕ

20

1.1 Случай аксиального магнитного поля

1 2 Случай поперечного магнитного поля

1 3 Исследование зависимости постоянной времени затухания импульсного магнитного поля, рассеянного сфероидальной оболочкой, от её электродинамических и геометрических

параметров

2 ОЦЕНКА УРОВНЕЙ ОСНОВНЫХ ВИДОВ ПОМЕХ ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ РАБОТЕ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Классификация помех. Синхронные и несинхронные помехи

2 2 Оценка уровней основных видов помех

2.3 Преимущество импульсной электромагнитной системы перед гармоническои системой^

по критерию отношения сигнал/помеха

3 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИЁМНОГО И ИЗЛУЧАЮЩЕГО ТРАКТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ИМПУЛЬСНОИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ

0.1 ОЛИЯНИС алсмридипати-и/чтл ----г-.— - ^

нал/помеха на входе предусилителя

3.2 Структура сигнала с приемной антенны. Обоснование выбора геометрических парамет^

ров приемных антенн

3.3 Зависимость временных характеристик переходного процесса в приемных антеннах от

расстояния до объекта и расстояния между антеннами

4 АНАЛИЗ УРОВНЕЙ ПОЛЕЗНОГО СИГНАЛА И ПОМЕХИ В АНТЕННЫХ СИСТЕМАХ РАЗЛИЧНОЙ ОРИЕНТАЦИИ

5 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТ АЛЬНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕНЫ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

5.1 Краткая сущность метода переходных процессов и его реализация в экспериментальной

системе

5.2 Описание натурного макета экспериментальной импульсной системы и методики проведения эксперимента

5.3 Анализ полученных экспериментальных данных

137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИС

ПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Усовершенствование метода переходных процессов для дистанционного контроля электропроводности проводящих объектов в виде оболочек вращения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. На дне морей и океанов находится большое количество металлических тел: затонувших судов, бочек, труб, кабелей связи, а также мин и снарядов, оставшихся еще после войны. В последние десятилетия в связи с активным освоением морского шельфа, связанного с добычей полезных ископаемых и их транспортировкой, по морскому дну прокладываются трубопроводы, строятся резервуары и другие инженерные сооружения. Риски при проведении строительных работ на морском дне обусловлены, главным образом, большим количеством сохранившихся боеприпасов со времен второй мировой войны. Обнаружение таких объектов и их отличие от других металлических тел, также в немалом количестве находящихся на морском дне, является актуальной задачей. Для ее решения используются электромагнитные и гидроакустические поисковые системы. Гидроакустические системы имеют существенное преимущество перед электромагнитными системами, так как способны обнаруживать объект на значительно больших дальностях и определять его геометрические параметры, в том числе и толщину стенок. Однако эти системы не способны определять электродинамические параметры материала объекта: электропроводность и магнитную проницаемость, без знания, которых трудно классифицировать обнаруженный объект. Из анализа существующих электромагнитных систем, используемых для определения электродинамических параметров объектов, в том числе мин снарядов и торпед, была выбрана импульсная система. Как правило, такие системы монтируются либо на самоходных носителях, либо буксируются. Ограниченные энергоресурсы и габариты носителей зачастую определяют предельные характеристики поиска - дальность обнаружения, разрешающую способность и др. По этой причине важно при разработке поисковой системы проводить анализ основных параметров ее приемно-излучающего тракта с тем, чтобы оценить их влияние на указанные характеристики. В настоящей работе объектом исследования является поисковая импульсная электромагнитная система. Для такой системы, в основе работы которой лежит метод переходных процессов, основными параметрами являются величина магнитного момента излучающей антенны, чувствительность приёмной антенны и постоянные времени излучающего и приемного трактов. Первые (величина магнитного момента и чувствительность) определяют, главным образом, дальность обнаружения объектов поиска: чем больше магнитный момент излучателя и выше чувствительность приёмной антенны, тем больше (при прочих равных условиях) дальность обнаружения. Вторые (постоянные времени) определяют точность измерения параметров объекты поиска: чем меньше постоянные времени излучающего и приемного трактов системы (то есть постоянная времени системы), тем выше точность измерения. Для импульсных электромагнитных систем при решении поисковых задач остается трудноразрешимой задача распознавания объекта поиска. Для эффективного распозна-

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Воробьев, Владимир Александрович

Выводы по пятой главе

Полученные в ходе эксперимента данные значений постоянных времени тел в виде цилиндрических и сферических оболочек позволяют сделать следующие выводы:

1 -■ на основе проведённых исследований удалось разработать изготовить и испытать экспериментальную систему имевшую постоянную времени существенно меньшую чем постоянные времени исследованных объектов. Это сделала возможным измерить постоянные времени указанных объектов с погрешностью 2% и менее;

2 - сравнение экспериментально измеренных значений постоянных времени тел в виде цилиндрических оболочек с расчётными значениями постоянных времени эквивалентных сфероидальных оболочек показало, что различие между ними составляет величину порядка 4%;

Учитывая, что величина 4% включает в себя и погрешность эксперимента и модельную погрешность можно утверждать, что вклад модельной погрешности составляет величину порядка 3%. Это в три раза меньше чем прежняя модельная погрешность.6-12% когда объект в виде цилиндрической оболочки аппроксимировался набором сферических оболочек.

Снижение модельной погрешности в три раза существенно (примерно в три раза) снижает погрешность определения электропроводности материала объекта в виде оболочки вращения;

4 - проведение эксперимента в море показало способность разработанной системы обнаруживать объекты в виде оболочек вращения и определять их электропроводность.

В соответствии с полученными результатами в главах 2-5 на защиту выносятся следующие научные положения:

2. Установлено, что основной помехой, с учетом особенностей объектов контроля, ограничений размеров носителя и его динамики, является сигнал прямой передачи, и разработана методика снижения погрешности измерения электропроводности материала тел, в виде оболочек вращения, до величины порядка 4 %,

3. Экспериментальные зависимости постоянных времени проводящих тел в виде цилиндрических оболочек от их геометрических и электродинамических параметров.

4. Методика снижения погрешности определения электропроводности материала тел в виде цилиндрических оболочек путём аппроксимации их «сфероидальной» оболочкой постоянной толщины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведено исследование, направленное на повышение точности определения и контроля бесконтактным способом электропроводности материала объектов в виде оболочек вращения, находящихся, в том числе, в водной среде. Из существующих электромагнитных систем, позволяющих бесконтактным способом определять электродинамические параметры объекта, обоснован выбор импульсной электромагнитной системы, в основе работы которой лежит метод переходных процессов.

Для повышения точности определения электропроводности материала объекта в виде оболочки вращения в диссертационной работе впервые разработана математическая модель рассеяния импульсного магнитного поля на проводящей «сфероидальной» оболочке постоянной толщины. Выбор модельного объекта обусловлен тем, что форма последнего гораздо лучше аппроксимирует форму таких техногенных объектов, как снаряды, торпеды, и ряд глубинных бомб, нежили использованный прежде способ аппроксимации этих объектов набором сферических оболочек.

Проведено исследование основных видов помех, возникающих при работе электромагнитной импульсной системы, и установлено, что определяющей помехой, с учетом особенностей объектов контроля, ограничений размеров носителя и его динамики, является сигнал прямой передачи. Исследовано влияние основных параметров приемно-излучающего тракта импульсной системы на отношение сигнал/помеха с целью минимизации помех. При этом основные усилия были направлены на борьбу с основной помехой - сигналом прямой передачи. Разработаны способы снижения помех (главным образом -- сигнала прямой передачи) при разработке импульсной электромагнитной системы. На основе проведенного исследования была разработана и изготовлена экспериментальная импульсная система, позволившая измерить постоянные времени объектов в виде цилиндрических оболочек с погрешностью порядка 2%.

Впервые получены экспериментальные зависимости постоянных времени тел вы виде цилиндрических оболочек от их электродинамических и геометрических параметров. Представлена методика снижения погрешности определения электропроводности материла тел в виде цилиндрических оболочек путем аппроксимации их проводящей «сфероидальной» оболочкой постоянной толщины. На основе проведенных расчетов установлено, что данная методика позволяет снизить модельную погрешность, по сравнению с ранее использованным способом аппроксимации, в три раза.

Все это в итоге позволило определять электропроводность материала тел в виде цилиндрических оболочек с погрешностью порядка величины 4%.

Проведение эксперимента в морской воде показало, что изготовленная импульсная система способна в динамике обнаруживать проводящий объект в виде цилиндрической оболочки на расстоянии примерно 5-6 метров и определять электропроводность его материала по измеренному значению постоянной времени объекта.

Можно ожидать, что погрешность определения электропроводности материала тел, форма которых еще ближе к форме вытянутой сфероидальной оболочки, будет еще меньше, чем величина погрешности, полученная для цилиндрических оболочек.

Повышение надежности контроля любого из параметров объекта (например, электропроводности его материала) может быть использовано в дальнейшем для повышения надежности распознавания указанных выше техногенных объектов, находящихся в частности, на морском дне. Полученные в работе результаты могут быть использованы и в других областях науки и техник, где требуется определять и контролировать параметры объектов в виде проводящих оболочек вращения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Воробьев, Владимир Александрович, 2012 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 М.Н. Бердичевский, В.И. Дмитриев, Н.А. Мерщикова. Об обратной задаче зондирования с использованием магнитотеллурических и магнитовариационных данных. //М: МАКС Пресс, 2000, с. 68.

2 М.С. Жданов. Теория обратных задач и регуляризация в геофизике. // М: Научный мир, 2007, с. 712.

3 М.Н. Бердичевский, М.С. Жданов. Интерпретация аномалий переменного электромагнитного поля Земли. М.: Недра, 1981, с. 327.

4 Ю.В. Голиков. Импульсная электроразведка методом заряда. // Екатеринбург: УГГГА, 2002, с. 273

5 В.А. Сидоров. Импульсная индуктивная электроразведка. // М: Недра, 1985, с. 192.

6 Э.С. Седельников. Анализ и синтез геофизических систем на примере электроразведки с использованием сверхдлинных волн. // М: ЦНИГРИ, 2006, с. 145.

7 Ф.М. Каменецкий. Электромагнитные геофизические исследования методом переходных процессов. // М: ГЕОС, 1997, с. 162

8 М.Н.Бердичевский, Дмитриев В.И. Модели и методы магнитотеллурики. // М: Научный мир, 2009, с. 680

9 Б.С. Светов. Теория, методика и интерпретация материалов низкочастотной индуктивной электроразведки. //М: Недра, 1973, с. 254.

10 «Метод переходных процессов при поиске сульфидных руд» под редакцией А.Ф. Фокина // М: Недра, 1971.

11 П.О. Барсуков, Э.Б. Файнберг, Е.О. Хабенский. Импульсные электромагнитные зондирования кимберлитовых трубок. // Журнал «Геофизика» №5, 2008.

12 И.В. Журбин. Геофизика в археологии: методы, технологии и результаты применения. // НИСО УрО РАН, 26(04)

13 М.А. Чемякина, А.К. Манштейн, П.Г. Дядьков. Геофизические исследования археологических памятников Барабинской лесостепи в 2002г.: Проблемы археологии, этнографии, антропологии Сибири и сопредельных территорий. Материалы годовой сессии ИА-иЭ СО РАН, 2002. // Новосибирск: Институт археологии и этнографии СО РАН, с. 484490.

14 Е.В. Балков, А.К. Манштейн. Опыт применения электромагнитного частотного зондирования для решения археолого-геофизических задач. // Журнал «Геофизика» №1, 2006.

15 В.А. Митрофанов. Аналитические методы неразрушающего контроля. // Ярославль: Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова, 2002, с. 64.

16 A.B. Шахомиров. Идентификация типов и оценка параметров дефектов трубопроводов на основе анализа электромагнитных полей рассеяния: диссертация кандидата технических наук. // СПб, 2007, с. 134.

17 В.В. Дякин, В.А. Сандовский. Задачи электродинамики в неразрушающем контроле. // Екатеринбург: УрО.РАН, 2008, с. 389.

18 В.Г. Герасимов, А.Д. Покровский, В.В. Сухоруков. Электромагнитный контроль. // М: Высшая школа, 1992, с. 312 в 5 кн.

19 Справочник иод редакцией В.В. Клюева. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. // М: Машиностроение, 1986, с. 352.

20 Резников Г.Б. Антенны летательных аппаратов. // М: Советское радио, 1967.

21 Gianzero S.C. // IEEE Trans. 1978. V. GE-16. №4. P.332

22 Кинг P., Смит Г. Антенны в материальных средах. // М: Мир, 1984, Т. 2

23 Г.Т. Марков, А.Ф. Чаплин. Возбуждение электромагнитных волн. // М: Радио и связь, 1984., Т.2

24 E.H. Васильев. Возбуждение тел вращения. // М: Радио и связь, 1987.

25 П.Я. Уфимцев. Метод краевых волн физической теории дифракции. // М: Советское радио, 1962.

26 Tsadoulas G.N. // IEEE Trans. 1968.V. АР-16. №3. P.324

27 A.C. Горяинов. // РЭ. 1958, Т.З, №5, с. 603

28 В.В. Ахияров, В.М. Орлов, Г.П. Слукин, В.Ю. Шустиков. Применение методов интегральных уравнений для определения электромагнитных полей, рассеянных идеально проводящими телами вращения в резонансной области. // Журнал «Электромагнитные волны и электронные системы» №5, 2005.

29 Kuehl H.H. //IRE Trans. 1961. V. АР-9. Р.546

30 Ванзин П.А., Шорохова Е.А. Геофизика, 1999, №1, с. 45.

31 В.П. Докучаев, Е.А. Шорохова, В.А. Яшнов. Межведомственный сборник научных трудов «Вопросы дифракции и распространения электромагнитных и акустических волн». // М: МФТИ, 1999, с. 22.

32 Е.А. Шорохова. Рассеяние электромагнитных волн, возбуждаемых элементарными источниками, на круглом проводящем цилиндре конечных размеров. // Журнал «Радиотехника и электроника» №5, 2007.

33 Д.О. Батраков. Рассеяние электромагнитных волн эллиптическим цилиндром: диссертация кандидата технических наук// Харьков: Харьковский государственный университет им. Горького, 1986.

34 B.B. Насочевский. Дифракция электромагнитных волн на иолубесконечном идеально проводящем цилиндре произвольного сечения: диссертация кандидата технических наук. //М., 1989г.

35 А.П. Преображенский. Моделирование рассеяния электромагнитных волн на полостях круглого и эллиптического поперечного сечения: диссертация кандидата технических наук. // Воронеж, 2002.

36 М.Ю. Звездина. Излучение и рассеяние электромагнитных волн слоистыми цилиндрическими структурами. // Ростов-на-Дону: РАС ЮРГУЭС, 2007, с. 188.

37 М.Г. Гизатуллин. Дифракция электромагнитных волн на неоднородных сферических телах: диссертация кандидата технических наук. // Нижний Новгород: Уральский государственный университет, 2008.

38 Б.А. Панченко, М.Г. Гизатуллин. Рассеяние и поглощение электромагнитных волн слоистыми структурами. // Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2008, с. 117.

39 E.H. Глотов. Дифракция электромагнитных волн на полупроводящих сферических оболочках: диссертация кандидата технических наук. // Нижний Новгород: Уральский государственный университет, 2004.

40 М.Г. Гизатуллин. Дифракция электромагнитных волн на металлических и диэлектрических сферах. // Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007.

41 Н.И. Калашников, Ф.Л. Дудкин, Ю.Б. Николаенко. Основы морской электроразведки. // Наукова думка, 1980, с. 208.

42 Сборник научных статей под редакцией М.С. Жданова. Фундаментальные проблемы морских электромагнитных исследований. // М: ИЗМИР АН, 1986, с. 176.

43 Сборник научных статей под редакцией М.С. Жданова. Электромагнитная индукция в мировом океане. // М: Наука, 1990.

44 В.И. Гордиенко. Морская геофизическая разведка, 1978.

45 Г.М. Шайдуров. Импульсные электромагнитные системы поиска. // Красноярск: КГТУ, 1999.

46 Ф.М. Каменецкий, В.И. Миронов. «Переходный процесс в проводящей магнитной оболочке»// Издательство ВУЗов, сер. «Геология и разведка», 1976, №8, с. 115-121.

47 Ю.Л. Яхно. «Рассеяние низкочастотного электромагнитного поля на искривленных проводящих слоях»: диссертация кандидата физико-математических наук. // Ленинград, 1984.

48 В.П. Певницкий, Ю.В. Полозик. Статистические характеристики индустриальных радиопомех. // М.: Радио и связь, 1988, 247 с.

49 Фундаментальные проблемы морских электромагнитных исследований. / Под ред. A.M. Пушкова //сборник ИЗМЕРАН. М„ 1980, с. 252.

50 Морские электромагнитные поля. / Под ред. Г.А. Фонарева //сборник ИЗМЕРАН, М., 1976, с. 112.

51 Метод переходных процессов при поисках месторождений сульфидных руд. / Под ред. А.Ф. Фокина, - JX: Недра, 1971.