Robust parameter design of surface eddy current probes. The case of measuring geometric anomalies in a stationary test object

Abstract

The aim of the paper is to develop a method for increasing the signal-to-noise ratio of eddy current measurement of geometric anomalies in static planar objects without actually eliminating the inherent effects of noise factors. This is achieved by means of Taguchi's robust parameter design of rectangular frame surface probes, which allows determin ing the optimal configuration of their constructions. On a specific example, a robust configuration construction of the eddy current probe design is found, i.e., its technical variant that ensures a reduction of the output signal variance near its average value, i.e., resistance to noise disturbances, due only to the appropriate determination of the values of the controllable design and operating parameters of the probe without eliminating uncontrollable interference inherent in the test objects. For the robust design of a number of eddy current meters with different functionalities, a universal magnetodynamic model of the probe was used, which, together with the application of orthogonal arrays, allows the creation and implementation of Taguchi-design of experiments. The software that implements this model has been veri fied, including by comparing it with the results of calculations on test’s examples performed using the finite element method. The accuracy achieved in this case allows us to assert the adequacy of the created computer program. The data obtained as part of the Taguchi-design of experiment were used to evaluate design options using the “larger is better“ quality loss function and the signal-to-noise ratios calculated on its basis, which made it possible to select the optimal combination of design and operating parameters of the eddy current probe. The reliability of the found optimal configuration of the eddy current probe design was proved by confirmatory calculations. The research results were also experimentally verified on a prototype.

Вступ. Зменшення впливу перешкоджаючих факторів на формування сигналу вихрострумового перетворювача ще на етапі проєктування є важливою задачею під час конструювання вимірювачів геометричних аномалій. Реалізація цього можлива низкою методів, серед яких виділяється доволі проста техніка робастного параметричного проєктування на основі методу Тагучі у процесі пошуку оптимальної конфігурації конструкції перетворювачів. Метою роботи є розробка методу підвищення відношення сигнал/шум вихрострумових вимірювачів геометричних аномалій у статичних пласких об’єктах без фактичного усунення притаманних їм впливів шумових факторів, які в більшій мірі властиві об’єктам контролю. Методологія досліджень передбачає наступні основні етапи, які необхідні задля виконання проєктування вихрострумових перетворювачів за методом Тагучі: – виокремлення вимірюваної перетворювачем характеристики об’єкту контролю, яка фіксується його вихідним сигналом; –ідентифікація контрольованих параметрів вихрострумових перетворювачів та можливих рівнів їх градації у разі варіюваняі; – визначення шумових факторів та їх рівнів градації; – призначення інтервалів змін контрольованих та шумових факторів; – обрання ортогональних масивів; – створення плану експериментів та проведення їх за універсальною магнітодинамічною моделлю задля обчислення вихідного сигналу вихрострумових перетворювачів із використанням комп’ютерного моделювання; – на основі ANOVA-аналізу впливу факторів на індуковану електрорушійну силу перетворювача та розрахованих для кожного іспиту значень відношення сигнал/шум на базі функції втрати якості Тагучі виконання обрання оптимального варіанту конфігурації конструкції вихрострумових перетворювачів за відповідною комбінацією рівнів градації контрольованих факторів, що максимізує показник SNR; – проведення підтверджуючих чисельних експериментів щодо перевірки знайдених оптимальних параметрів конфігурації конструкції перетворювачів. Оригінальність проведених досліджень полягає у використанні методу Тагучі з поєднанням чисельного моделювання задля розробки методу комп’ютерного робастного параметричного проєктування рамкових вихрострумових перетворювачів для вимірювання геометричних аномалій статичних пласких об’єктів, котрий забезпечує під час вимірювань стійкість сигналу до змін повітряного зазору та варіації шумових параметрів об’єктів контролю, тобто підвищення значень відношення сигнал/шум. Результати. На прикладі знайдена робастна конфігурація конструкції вихрострумового перетворювача, тобто такий її технічний варіант, який забезпечує зменшення дисперсії вихідного сигналу навколо його середнього значення, тобто стійкість до шумових збурень, завдячуючи тільки відповідному визначенню значень контрольованих конструктивних та режимних параметрів перетворювачів без усунення неконтрольованих завад, притаманних об’єктам контролю. Задля робастного проєктування низки вихрострумових вимірювачів різного функціоналу запропонована універсальна магнітодинамічна модель накладного рамкового перетворювача, яка разом із використанням ортогональних масивів дає змогу розробити та реалізувати плани експериментів Тагучі. Програмне забезпечення, що реалізує цю модель, пройшло верифікацію, в тому числі співставленням із результатами розрахунків на тестових прикладах, виконаних методом скінченних елементів. Досягнута при цьому точність дає можливість стверджувати про адекватність створеної комп’ютерної програми. Отримані в рамках виконання плану Тагучі дані використано для оцінки варіантів конструкцій за допомогою функції втрат якості типу «larger is better» та обчислених на її основі значень відношень сигнал/шум, що дало змогу обрати оптимальну комбінацію конструктивних та режимних параметрів вихрострумового перетворювача. Достовірність відшуканої оптимальної конфігурації конструкції вихрострумового перетворювача доведена підтверджуючими розрахунками. Також на дослідному зразку проведена експериментальна перевірка результатів досліджень. Бібл. 21, рис. 6, табл. 9.