Актуальність теми: На сьогодні в різних технічних застосунках в галузі автоматизованого неруйнівного контролю (НК) актуальним є питання визначення координат дефектів, різного роду неоднорідностей матеріалу тощо, які не відповідають вимогам якості контрольованих виробів. Використання координатної інформації дає змогу проводити моніторинг дефектів, а також будувати B- та C-скани, які містять не лише інформацію про дефекти, але й координати їх розташування на поверхні об’єкта контролю (ОК). За такого підходу згідно отриманих даних можна як спостерігати процес розвитку дефектів, так і відслідковувати появу нових дефектів, проводити додаткові дослідження виявлених дефектів іншими методами НК, а також виконувати оцінку загального стану ОК. Розв’язання питань автоматизації НК в багатьох практичних задачах вимагає застосування безконтактних методів реєстрації координатної інформації. Такі методи потребують використання додаткових засобів інформаційно-вимірювальної техніки, орієнтованих на використання різних фізичних полів та явищ – акустичних, оптичних тощо, і формування відповідних інформаційних сигналів, які є носіями координатної інформації. В реальних умовах такі сигнали спостерігаються на фоні значних шумів та завад. Тому дослідження безконтактних методів координатної реєстрації інформації в системах автоматизованого НК, які забезпечують достовірне і точне визначення координат за умов малого відношення сигнал/шум є актуальним напрямом розвитку НК.
Мета дослідження: Мета дисертаційної роботи полягає у розробленні безконтактного ультразвукового завадостійкого методу двокоординатної реєстрації просторового положення первинного перетворювача на поверхні виробу при проведенні вихрострумового неруйнівного контролю. Для досягнення цієї мети в роботі поставлені та вирішені наступні завдання:
– проаналізувати сучасні засоби визначення просторових координат первинних перетворювачів в задачах НК та реалізовані в них методи реєстрації координат, дослідити можливість автоматизації різних методів та засобів НК за рахунок реєстрації положення датчиків;
– розробити новий метод реєстрації координат положення датчиків за використання ультразвукового багаточастотного фазового методу визначення відстаней з усуненням неоднозначності фазових вимірів на основі числової системи залишкових класів (ЧСЗК);
– удосконалити метод усунення неоднозначності фазових вимірів, що ґрунтується на використанні ЧСЗК з метою забезпечення достовірного визначення координат за менших значень відношення сигнал/шум;
– розробити методику калібрування ультразвукової системи двокоординатної реєстрації інформації за швидкістю звуку з метою підвищення точності визначення координат, а також методику визначення розмірів мертвих зон, в яких неможливо точно розрізнити дві суміжні координати за заданої похибки визначення координат;
– розробити програмно-алгоритмічне забезпечення, яке реалізує запропоновані методи та методики реєстрації координат первинного перетворювача;
– розробити структуру апаратної частини засобу координатної реєстрації положення датчиків НК та надати рекомендації по вибору елементної бази.
Об’єкт дослідження: процес визначення координат перетворювачів в автоматизованих системах НК.
Предмет дослідження: ультразвуковий багаточастотний фазовий метод визначення координат з усуненням неоднозначності на основі ЧСЗК.
Методи дослідження базуються на використанні: методів технічної діагностики і неруйнівного контролю; теорії автоматичного регулювання; інформаційно-вимірювальних технологіях; теорії чисел; математичного аналізу; цифрових методів оброблення сигналів, а саме дискретного перетворення Гільберта; теорії ймовірностей та математичної статистики; комп'ютерного моделювання
Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:
1. Удосконалено метод визначення координат датчика на основі двовимірної трилатерації та ультразвукового багаточастотного фазового методу визначення відстаней з оцінюванням повного фазового зсуву між випроміненим та прийнятими сигналами за допомогою ЧСЗК, що дає змогу реєструвати координати перетворювача з підвищеною точністю.
2. Розроблено метод усунення багатозначності фазових вимірів при застосуванні ЧСЗК, який ґрунтується на узгодженні лишків ЧСЗК, отриманих за результатами фазових вимірювань на всіх робочих частотах, що дає змогу усунути грубі помилки відновлення повного фазового зсуву за низького відношення сигнал/шум, і відповідно отримати коректні значення відстані між випромінювачем і приймачами ультразвукових коливань.
3. Запропоновано спосіб зменшення похибки вимірювання просторових координат датчика, який ґрунтується на проведенні додаткового вимірювання швидкості поширення акустичного сигналу, що дало змогу забезпечити інваріантність результатів вимірювання відстані за зміни метеопараметрів середовища.
Практичне значення отриманих результатів полягає у наступному:
1. Розроблено методику визначення координат первинного перетворювача за умови використання ультразвукового багаточастотного фазового методу та ЧСЗК, яка ґрунтуються на відновленні повного фазового зсуву сигналів та усунення неоднозначності фазових вимірів за допомогою ЧСЗК.
2. Розроблено методику застосування ЧСЗК для забезпечення коректної роботи в умовах наявності низького відношення сигнал/шум, яка ґрунтуються на узгодженні лишків ЧСЗК, отриманих за результатами фазових вимірювань на всіх робочих частотах.
3. Розроблено методику визначення мертвих зон, яка ґрунтуються на визначенні областей в межах контрольованої ділянки виробу, для яких немає змоги розрізнити дві суміжні координати за заданої похибки їх визначення.
4. Виконані комп'ютерні обчислювальні експерименти при використанні ультразвукового багаточастотного методу та ЧСЗК дали змогу відпрацювати програмну реалізацію алгоритму визначення координат датчика та підтвердити ефективність запропонованого методу реєстрації координат.
5. Розроблено структуру апаратної частини засобу координатної реєстрації положення датчиків НК, що, за рахунок використання коректного підбору базових елементів, а також проведення калібрування по швидкості, дало змогу зменшити похибку вимірювання координат позиціонування датчиків НК.
Висновки:
1. В результаті дослідження був удосконалений метод ЧСЗК призначений для усунення неоднозначності фазових вимірів при визначенні відстаней за методом трилатерації. Для удосконалення був використаний метод узгодження лишків ЧСЗК, який ґрунтується на встановлені певних правил округлення лишків, що дає змогу коректно відновити значення фазового зсуву за умови малого відношення сигнал/шум. Запропонований метод забезпечує достовірне відновлення фазового зсуву при відношенні сигнал/шум не менше 1.1 за умови використання прямокутної обвідної та не менше 2.5 за використання гауссової обвідної зондуючих акустичних сигналів.
2. Розроблений новий ультразвуковий фазовий метод двокоординатної реєстрації інформації, який призначений для визначення положення датчика під час проведення автоматизованого неруйнівного контролю. Він базується на визначенні координат за методом трилатерації. Відстані між випромінювачем і двома приймачами ультразвукових коливань визначалась за допомогою акустичного багаточастотного фазового методу, а неоднозначність фазових вимірів усувалась на основі використання ЧСЗК. Запропонований метод дає змогу визначати координати положення датчика з похибкою ±0.5 мм, що цілком достатньо для його використання у вихрострумовій дефектоскопії.
3. Розроблена методика визначення мертвих зон, для пошуку яких, виходячи зі значення дискрету фазових вимірів, встановлена гранична похибка в 17о (~0.3 рад), яка дала змогу встановити, що запропонована акустична система визначення координат має мертву область на початку вимірювальної відстані площею 1000х80 мм2. Також була визначена мертва зона приймачів ультразвукового сигналу з круговою діаграмою напрямленості в 1350 площею в 1000х207.1 мм2.
4. Для зменшення похибки визначення координат була розроблена методика калібрування системи за швидкістю акустичних хвиль у навколишньому середовищі. Її застосування дало змогу зменшити додаткову похибку визначення координат датчика в умовах варіації метеопараметрів до 0,1%.
5. Проведений модельний експеримент, в якому передбачалось, що ультразвуковий випромінювач суміщений з первинним перетворювачем дефектоскопу, а на кінцях бази встановлено два ультразвукові приймачі. Вхідні данні: контрольована плоска ділянка ОК має вигляд квадрата розміром 1x1 м, гратка координат розташування датчика задавалась в межах квадрату з дискретним кроком 1 мм, значення бази (відстані між приймачами) дорівнювало 1 м, кількість робочих частот – три, метод визначення координат – багаточастотний фазовий метод, метод усунення неоднозначності фазових вимірів – на основі ЧСЗК. Результати моделювання довели можливість практичної реалізації та використання запропонованих методів та методик при використанні в вихрострумовому неруйнівному контролі. За кількості відліків фазового зсуву на період сигналу 16 зберігалась працездатність системи за відношення сигнал/шум>2.
6. Запропонована система може бути використана в якості самостійного засобу визначення координат, або в якості підсистеми координатної реєстрації в засобах автоматизованого неруйнівного контролю. Мала похибка виміру координат забезпечує можливість використання системи координатної реєстрації для малоапертурних сенсорів – як вихрострумових, так і ультразвукових.
7. Розроблено структуру апаратно-програмного засобу запропонованої багаточастотної фазової системи двокоординатної реєстрації інформації, на основі ЧСЗК, в системах автоматизованого ВСНК та надано рекомендації по вибору елементної бази для її реалізації. Запропоновано використати випромінювач ультразвукових коливань частотою до 40 кГц з круговою діаграмою напрямленості в 3600 марки US40KT-01, приймач-випромінювач 400EP14D частотою до 40 кГц з круговою діаграмою напрямленості в 1350. Для опрацювання фазових даних та визначення координат положення датчика НК запропоновано використовувати мікропроцесор типу ATtiny826.
Керівник: проф., д.т.н., проф. Куц Ю.В.
Повний текст дисертації (.pdf)
Повний перелік магістерських дисертацій
Перелік літературних посилань
[1] О.В. Дергунов, Ю.В. Куц. Методи реєстрації координат в дефектоскопії, Системи обробки інформації, 2014, випуск 5 (121), с.31-35.
[2]. Albert S. Birks. Nondestructive Testing Handbook. Second edition. / Albert S. Birks, Robert E. Green. –ASNDT 1991. – Edition. Vol. 7. –P. 451.
[3] Орнатский Е. П. Теоретические основы информационно-измерительной техники / Е. П. Орнатский. – К.: Вища школа, 1976.
[4] Маєвський С.М. Координатна реєстрація в дефектоскопії / С.М. Маєвський, К.М. Сєрий. – Львів: ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України, 2011. – 116с.
[5] Guoliang Ye, Ben Neal , Alex Boot , Vassilios Kappatos , Cem Selcuk, Tat-Hean Gan. Development of an ultrasonic NDT system for automated inspection of wind turbine blades, 7th European Workshop on Structural Health Monitoring, July 8-11, 2014. La Cité, Nantes, France, p.826-833.
[6] Фазовимірювальні системи неруйнівного контролю [Електронний ресурс]: навч. посіб. /С.М.Маєвський; КПІ ім. Ігоря Сікорського.– Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2018.– 288 с. ВСТАВИВ 10.05.23.
[7] Сєрий К. М. Системи дистанційного визначення просторового положення вимірювального перетворювача дефектоскопу у процесі контролю/ С.М. Маєвський, К.М. Сєрий // Вісник Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут". – Приладобудування. – 2003. – № 25. – С. 58-63.
[8] Сєрий К. М. Аналіз точності дистанційного визначення координат перетворювача дефектоскопу акустичним методом / К. М. Сєрий // Вісник Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут". Серія: Приладобудування. – 2008. – № 36. – С. 45-49.
[9] Бабак В.П. Інформаційне забезпечення моніторингу об’єктів теплоенергетики: Монографія/ В.П. Бабак, С.В. Бабак, В.С Єременко та ін.// К.: ТОВ «Поліграф-Сервіс», 2015. – 512 с.
[10] Intelligent automated eddy current system for monitoring the aircraft structure condition / I. Lysenko, Y. Kuts, V. Uchanin, A. Protasov, V. Petryk, A. Alexiev // 2022 IEEE 3rd International Conference on System Analysis & Intelligent Computing (SAIC), 2022, pp. 1-5, doi: 10.1109/SAIC57818.2022.9922968.
[11] Маєвський С. М. Безконтактна система визначення координат вимірювального перетворювача дефектоскопу / С. М. Маєвський, К. М. Сєрий // Технічна діагностика та неруйнівний контроль – К.: НАН України, ИЕЗ ім. Є. О. Патона. – 2012. – № 4. – С. 20 – 23.
[12] Automated eddy current system for express monitoring of objects / I. Lysenko, Y. Kuts, A. Protasov, V. Petryk, A. Alexiev // International Journal “NDT Days”, BSNDT: Bulgaria, 2022. ‒ Volume 5, Issue 5. ‒ 269-276 рр. ISSN: 2603-4018, eISSN: 2603-4646.
[13] Роботизована система неруйнівного вихрострумового контролю виробів зі складною геометрією / [В. В. Долиненко, Ю. В. Куц, Є. В. Шаповалов та ін.]. // Автоматичне зварювання, № 5-6 (764), травень-червень 2017. – С. 60-67.
[14] Перспективи застосування фазових характеристик сигналу в автоматизованій вихрострумовій дефектоскопії / [М. О. Редька, Ю. В. Куц, Є. В. Шаповалов та ін.]. // Технічна діагностика та неруйнівний контроль. – 2022. – №1. – С. 45–53.
[15] Кинкулькин И.Е. Фазовый метод определения координат/ И.Е. Кинкулькин, В.Д.Рубцов, М.А. Фабрик. //М.: Сов.радио, 1979. – 280 с.
[16] Малько, В. П. Вимірювання кумулятивних фазових зсувів в задачах визначення відстаней / В. П. Малько // ХV Науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених «Погляд у майбутнє приладобудування», 14-15 червня 2022 р., м. Київ, Україна : збірник праць конференції. – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. – С. 194-197. – Бібліогр.: 5 назв.
[17] Шануров Г.А. Спутниковая геодезия. Учебное пособие для студентов обучающихся по направлениям: «геодезия и дистанционное зондирование», «прикладная геодезия», «землеустройство и кадастр», «картография и геоинформатика» / Г. А. Шануров. М.:. МИИГАиК, 2015, 80 с.
[18] Товбас С. К. Оптико-электронные методы измерений : учеб.-метод. комплекс для студентов специальности 1-56 02 01 «Геодезия» / С. К. Товбас. – Новополоцк: ПГУ, 2012. – 156 с
[19] Лобачев В.М. Радиоэлектронная геодезія / В.М. Лобачев. // М.: Недра, 1980. – 327 с.
[20] Куц Ю.В. Вимірювання кумулятивних фазових зсувів // Ю. Куц. – Технічна електродинаміка (Kuts Yu. V. Vymsryuvannya kumukyatyvnych phazovych zsuviv. – Technichna elektrodynamika). – 2001. –№5. –С/S. 67–72.
[21] Куц Ю. В. Застосування модулярної арифметики у багатошкальних фазових вимірюваннях / Ю. В. Куц. // Метрологія та прилади. – 2017. – №5. – С.98–105.
[22] Застосування перетворення Гільберта для аналізу сигналів автоматизованого вихрострумового контролю. Частина 1. Теоретичні аспекти використання перетворення Гільберта у вихрострумовому контролі / Ю. В. Куц, В. М. Учанін, Ю. Ю. Лисенко, О. Е. Левченко. // Технічна діагностика та неруйнівний контроль.. – 2021. – №3. – С. 7–13.
[23] Застосування перетворення Гільберта для аналізу сигналів автоматизованого вихрострумового контролю. Частина 2. Отримання вторинних діагностичних ознак та приклади реалізації / [Ю. В. Куц, В. М. Учанін, Ю. Ю. Лисенко та ін.]. // Технічна діагностика та неруйнівний контроль.. – 2021. – №4. – С. 11–18.
[24] Бабак В.П., Куц Ю.В. Метод однозначного визначення великих фазових зсувів сигналів // Вісн. НАУ. – 2003. – №1. – С. 3 – 8.
[25] Акушский И.Я. Машинная арифметика в остаточных классах / И. Я. Акушский, Д. Юдицкий // М.: Сов. радио. – 1968. – 440 с.
[26] Малько, В. П. Моделювання процесу відновлення повної фази сигналу при двокоординатній реєстрації інформації в системах автоматизованого неруйнівного контролю / В. П. Малько // XVIII Всеукраїнська науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених “Ефективність та автоматизація інженерних рішень у приладобудуванні”, 06-07 грудня 2022 р. - К.: ПБФ, КПІ ім. Ігоря Сікорського. – 2022. – 254 с.
[27] Куц Ю. В. Спеціальні розділи математики: Курс лекцій. [Електронний ресурс]: навч. посіб. для студ. спеціальності 151 «Автоматизація та комп’ютерно - інтегровані технології» / Ю. В. Куц, Ю. Ю. Лисенко; КПІ ім. Ігоря Сікорського. – Електронні текстові дані (1 файл: 3 Мбайт). – Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. – Режим доступу до ресурсу: https://ela.kpi.ua/handle/1234567 89/48823.
[28] Babak, V.P. Babak, S.V., Eremenko, V.S., Kuts, Y.V., Myslovych, M.V., Scherbak, L.M., Zaporozhets, A.O. Models and Measures in Measurements and Monitoring / Springer International Publishing, 2021. - 266 p. doi: 10.1007/978-3- 030-70783-5/.
[29] Розроблення стартап-проекту [Електронний ресурс]: Методичні рекомендації до виконання розділу магістерських дисертацій для студентів інженерних спеціальностей / За заг. ред. О.А. Гавриша. – Київ : НТУУ «КПІ», 2016. – 28 с.
[30] Гавриш, О. А. Розробка стартап-проектів. Конспект лекцій [Електронний ресурс] : навчальний посібник для студентів спеціальностей 151 – «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології» та 152 – «Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка» / О. А. Гавриш, К. О. Бояринова, К. О. Копішинська ; КПІ ім. Ігоря Сікорського. – Електронні текстові данні (1 файл: 2,88 Мбайт). – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2019. – 188 с. – Назва з екрана.
