Информационная измерительно-вычислительная система анализа магнитных полей рассеяния электротехнических устройств

Практически все современные электроэнергетические и электромеханические аппараты, значительное число устройств автоматики, измерительной и вычислительной техники построены на основе использования электромагнитных явлений и на применении магнитных материалов [1,2]. Поэтому измерения параметров магнитных полей, а также исследования магнитных свойств материалов, занимают значительное место в измерительной технике [3].

При контроле соответствия магнитных полей рассеяния серийно выпускаемых электротехнических изделий запроектированным стандартам не поддаются учету особенности, вызванные различной физико-химической предысторией систем, создающих эти поля. Это термообработка магнитопровода, способ обработки зазора полюсного наконечника, состояние материала и приемы полировки рабочей поверхности составных ферритных изделий, которые существенно влияют на топографию магнитного поля рассеяния.

Большой интерес в этом направлении представляют оптические, электронно-оптические, оптические теневые, электронно-оптические теневые методы. Вместе с тем, в оптике, кристаллографии и просвечивающей электронной микроскопии давно применяются теневые методы, позволяющие измерить небольшие относительные смещения, 64

вызванные электрическими и магнитными полями.[4]

Усовершенствование электронно-оптического теневого метода для наблюдения магнитных полей рассеяния дает возможность получения топологической картинки исследуемого поля, что может быть использовано при изучении различных неоднородных полей в микрообъемах. Разработка методики наблюдения магнитных полей с использованием электронной микроскопии позволит добиться автоматизации процесса сбора информации о полях на основе компьютерных средств и цифровой фототехники. Применение данной методики предопределяет создание интегральной меры оценки электромагнитного поля при определении бракованных магнитных систем на производстве.

Использование ИВС на базе муаровой методики облегчает расчет и анализ соответствия реальных полей запроектированным нормам, контролируемым при производстве и наладке устройств в радиоэлектронике.

Структура ИВС контроля качества магнитных систем (рис. 1) включает электронограф (Э), цифровую фотокамеру (ЦФК), и персональный компьютер (ПК).

Объект, создающий магнитное поле, находится в колонне электронографа, представляющего собой электронно-оптическую систему (ЭОС). Электронно-оптический преобразователь (ЭОП), являющийся экраном электронографа, формирует видимое муаровое изображение. По управляющему сигналу оператора осуществляется захват каждого изображения муаровых картин оптико-электронным видеопреобразователем (ОЭВП), функции которого выполняет цифровая фотокамера. Далее происходит перевод каждой картинки в формат BMP.

Рис. 1. Структурная схема измерительно-вычислительной системы контроля качества магнитных изделий: ЭП – электронная пушка; ОК – объект контроля (магнитная головка); ЭЭ – экран электронографа;

ОЭП – оптико-электронный преобразователь; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ПП – преобразователь протокола; ЦАП – цифроаналоговый преобразователь; ЦП – центральный процессор; Д – дисплей;

ПУ – периферийные устройства; ВК – видеоконтролер; П – программируемый порт; ЗУ – запоминающее устройство.

Объект, создающий магнитное поле, находится в колонне электронографа, представляющего собой электронно-оптическую систему (ЭОС). Электронно-оптический преобразователь (ЭОП), являющийся экраном электронографа, формирует видимое муаровое изображение. По управляющему сигналу оператора осуществляется захват каждого изображения муаровых      картин      оптико-электронным видеопреобразователем (ОЭВП), функции которого выполняет цифровая фотокамера. Далее происходит перевод каждой картинки в формат BMP.

Имя, присвоенное каждому файлу графического изображения, должно отображать порядковый номер магнитной головки и номер обрабатываемой партии головок. Захват картинки с последующим переводом в BMP – формат осуществляется программными средствами, которыми комплектуется цифровая фотокамера и видеокарта с видеовходом. По сигналу с ПК цифровая фотокамера делает снимок муаровых картин с экрана электронографа и записывает его в собственную внутреннюю память. Следующим этапом является передача изображения с цифровой фотокамеры на жесткий диск ПК. Управляющие коды и передача графической информации осуществляется посредством шины USB – Universal Serial Bus. Контроль за изображением ведется с входа видеосигнала видеокарты. Таким образом формируется пакет файлов графического изображения.

Обработка каждого файла из полученного пакета осуществляется разработанной программой. В результате мы имеем на экране ПК окно с муаровым изображением и данными, полученными в ходе обработки графического массива по существующей программе, с последующим вынесением экспертного суждения о качестве изделия. Кроме этого, формируется файл протокола, который содержит дату и время обработки, имя каждого обрабатываемого файла и результаты обработки с экспертной оценкой.

Разработано программное обеспечение измерительновычислительной системы (ИВС), позволяющее: автоматизировать процесс получения качественных картин магнитного поля рассеяния изделий; реализовать процесс обработки графических изображений по заданному алгоритму с целью выяснения суждений о работоспособности контролируемого объекта.

Программное обеспечение было выполнено при помощи программного продукта Borland Delphi 5.0. визуальное программирование, нашедшее воплощение в Delphi и С++Builder фирмы Inprise (бывшая Borland). Интегрированная среда разработки (ИСР или Integrated development environment – IDE) Delphi предоставляет нам формы (в данном случае это оконные, хотя могут быть невидимые), на которых размещаются компоненты (рис. 2).

Delphi является средой объектно-ориентированного программирования на основе языка Object Pascal со встроенным компилятором. Приложения Delphi используют разработки на других языках, включая С++ и Ассемблер [5].

а)

б)

Рисунок 2 - Электронно-оптические муаровые картины магнитного поля рассеяния 8 головки при U = 5 В , f = 60 Гц : а) годная; б)

бракованная х 500

Программа, которую строит Delphi в процессе проектирования приложения, основана на модульном принципе. Сама головная программа получается предельно простой и короткой. Она состоит из объявления списка используемых модулей и нескольких операторов, которые создают объекты тех форм, которые мы задумали, и запускают выполнение приложения. Четкое соблюдение принципов модульности в сочетании с принципом скрытия информации позволяет внутри любого модуля проводить какие-то модификации, не затрагивая при этом остальных модулей и головную программу.

Все объекты компонентов размещаются в объектах – формах. Для каждой формы Delphi создает отдельный модуль. Именно в модулях и осуществляется программирование задачи. В обработчиках событий объектов – форм и компонентов помещены все алгоритмы. Они сводятся к обработке информации, содержащейся в свойствах одних объектов, и заданий по результатам обработки свойств других объектов.

Расположение объекта исследования в колонне электронографа показано на (рис. 3).

Поток электронов проходит через сетку с прямоугольными ячейками 8 • 10 - 5 х 8 • 10 - 5 м и скользит по поверхности головки, в зазоре которой возбуждается магнитное поле. Наложение искаженного и эталонного изображения сетки дает муаровый узор, являющийся картиной силового распределения исследуемого поля.

Муаровая картина является результатом воздействия на пучок электронов объемного распределения напряженности магнитного поля рассеяния головки вокруг рабочего зазора. Для установления величины отклонения электронов в плоскости XOY, необходимо проанализировать уравнение движения электронов вдоль оси Z. Отклонение пучка электронов, видимое на экране электронографа, можно рассчитать по формуле:

У ⁴ = e A o L J H ( z ) dz■ m   и ₀

где: e- заряд электрона; m- масса электрона; - U o скорость электрона, L- параметр геометрии съёмки в электронно-оптической системе.

При нахождении интеграла необходимо задать распределение магнитного поля вдоль оси Z, которое бы достаточно точно аппроксимировало интегрирование. Обычно в таких случаях используют следующую функцию, описывающую колоколообразное распределение

[6]:

Я , ( z ) = -Hm-

где: d – расстояние между ячейками в сетке.

Рисунок 3 - Электронно-оптическая схема наблюдения магнитного поля рассеяния магнитных головок: Ф – фокус; С – сетка; В – блок головок; Э – экран

Проинтегрировав уравнение (1) с учетом предложенного распределения (2), и учитывая условия и геометрию съемки, получим расчетное соотношение:

y д = 13,7■10-9 H .

xm

Подставляя в данное уравнение распределение (4):

1 -

, (4)

T^ S ²^ ■ E ( ф )

Выведем зависимость отклонений пучка электронов от составляющей напряженности H xm по всему полю муаровой картины:

^K ( Ф )+

1 -

■ E ( ф )

где: h ¹ - половина ширины дорожки магнитного изделия;

K ( ф ) , E ( ф ) — полные эллиптические интегралы первого и второго рода, широко табулированы [7].

Аналогичным образом определяется уравнение распределения отклонений по оси Х:

x ‘ = 13,7 - 10 - 9

- K ( ? ) +

■ E ( ^ )

Функция общего смещения электронного пучка будет иметь следующий вид:

f (x; y )=

Для того, чтобы перейти от смещений к вызванной ими площади темных частей на муаровом узоре, необходимо проинтегрировать полученную функцию (7) по двум смежным сторонам ячейки сетки:

у.^+l

Sy = J f(x; y )dy yi

где: yi = j ■ (l + d); xi = l ■ (i +1) + d ■ i: j — номер одной ячейки по оси OY; i – номер одной ячейки по оси OX; l - размеры квадратной ячейки; d – расстояние между ячейками в сетке.

^xi⁺l                                         (9)

Sx = J f(x; y, dx xi где yf = l ■ (j +1) + d ■ j; xi = i ■ (l + d).

Поскольку муаровая картина обладает свойством симметричности,

общую площадь темных частей изображения можно определить как:

m—1 n—1

S = 2 ■ ZZ

i=0 j=0

V

y,+1                    .    . x,+1

n—1 m—1

Jf(xi;yW + ZZ Jf(x;yi)dx yi                   j=0 '=0 xi

I m—1 n—1 yi+¹                           n —1 m—1 ^xi+¹

S *=²J ZZ Jf *(x.; y) dy+ZZ Jf *(^x; y)^dx+(16 l⁾² i=0 j=0                          j=0 i=0

V              yi                                          xi где параметрами служит соотношение x = x + H0 .

_hS1 _hS1 _HOS

Расчеты площади черноты по данной зависимости дают результат, соответствующий полученным в ходе эксперимента значениям для годных изделий.

Представленная информационная измерительно-вычислительная система получения и обработки полей рассеяния с помощью электроннооптической муаровой методики позволяет облегчить анализ соответствия реальных полей запроектированным нормам, что особенно важно при производстве и наладке устройств в электротехнике.

Tambov State Technical University