СИНТЕЗ ВИХРОСТРУМОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З ОБ’ЄМНОЮ СТРУКТУРОЮ СИСТЕМИ ЗБУДЖЕННЯ, ЩО РЕАЛІЗУЄ ОДНОРІДНУ ЧУТЛИВІСТЬ В ЗОНІ КОНТРОЛЮ

A method for nonlinear surrogate synthesis of surface eddy current probes with a volumetric structure of the excitation system was proposed. This method a priori provides a given uniform distribution of eddy current density in the testing object area where the measuring coil is located. The implemen...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2021
Main Authors:	Гальченко, В.Я., Трембовецька, Р.В., Тичков, В.В.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2021
Subjects:	вихрострумовий перетворювач густина вихрового струму ефект швидкості система збудження однорідна чутливість сурогатна оптимізація RBF-метамодель безпараметрична адитивна Rd–послідовність стохастичний алгоритм пошуку глобального екстремуму
Online Access:	https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/165
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Technical Electrodynamics
Download file:

Institution

Technical Electrodynamics

_version_	1868113387398889472
author	Гальченко, В.Я. Трембовецька, Р.В. Тичков, В.В.
author_facet	Гальченко, В.Я. Трембовецька, Р.В. Тичков, В.В.
author_institution_txt_mv	[ { "author": "В.Я. Гальченко", "institution": "Черкаський державний технологічний університет, бул. Шевченка, 460, Черкаси, 18006, Україна" }, { "author": "Р.В. Трембовецька", "institution": "Черкаський державний технологічний університет, бул. Шевченка, 460, Черкаси, 18006, Україна" }, { "author": "В.В. Тичков", "institution": "Черкаський державний технологічний університет, бул. Шевченка, 460, Черкаси, 18006, Україна" } ]
author_sort	Гальченко, В.Я.
baseUrl_str	https://techned.org.ua/index.php/techned/oai
collection	OJS
datestamp_date	2022-12-07T14:45:56Z
description	A method for nonlinear surrogate synthesis of surface eddy current probes with a volumetric structure of the excitation system was proposed. This method a priori provides a given uniform distribution of eddy current density in the testing object area where the measuring coil is located. The implementation of the task using modern metaeuristic stochastic algorithms for finding the global extremum was achieved. For the effective usage of such algorithms, taking into account the effect of velocity, metamodels of eddy current probe were preliminarily created. They were built using a productive approximation technique based on artificial radial-basis neural networks with a Gaussian activation function. Acceptable accuracy of metamodels was achieved due to the simultaneous application of the search area decomposition technologies and plural neural networks based on the techniques of associative machines with group methods for obtaining a solution. For metamodels creation a multidimensional computer experiment design with high homogeneity was used on the basis of the parameterless additive Rd-Kronecker sequence. Numerical experiments to determine the eddy current density distributions which formed by synthesized excitation structures were carried out. The advantages of using a three-dimensional structure excitation system in comparison with classical and planar ones in terms of increasing the width of the testing zone, which is characterized by uniform sensitivity, were shown. Examples of practical implementation of an excitation system with a volumetric structure for an surface eddy current probe are given. References 13, figures 8, table 1.
doi_str_mv	10.15407/techned2021.03.010
first_indexed	2026-06-16T01:02:37Z
format	Article
fulltext	10 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2021. № 3 УДК 620.179.147:519.853.6 DOI: https://doi.org/10.15407/techned2021.03.010 СИНТЕЗ ВИХРОСТРУМОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З ОБ’ЄМНОЮ СТРУКТУРОЮ СИСТЕМИ ЗБУДЖЕННЯ, ЩО РЕАЛІЗУЄ ОДНОРІДНУ ЧУТЛИВІСТЬ В ЗОНІ КОНТРОЛЮ В.Я. Гальченко, докт.техн.наук, Р.В. Трембовецька, канд.техн.наук, В.В. Тичков*, канд.техн.наук Черкаський державний технологічний університет, бул. Шевченка, 460, Черкаси, 18006, Україна. E-mail: v.tychkov@chdtu.edu.ua Запропоновано метод нелінійного сурогатного синтезу накладних вихрострумових перетворювачів з об’ємною структурою системи збудження, що забезпечує апріорі заданий однорідний розподіл густини вихрових струмів в зоні контролю об’єкта, де розташовано вимірювальну котушку. Реалізація поставле- ної задачі досягнута із застосуванням сучасних метаевристичних стохастичних алгоритмів пошуку гло- бального екстремуму. Задля ефективного використання таких алгоритмів попередньо створено метамо- делі вихрострумового перетворювача із врахуванням ефекту швидкості, які побудовано за допомогою продуктивної апроксимаційної техніки на основі штучних радіально-базисних нейронних мереж із гаусо- вою функцією активації. Досягнуто прийнятну точність метамоделей шляхом одночасного застосування технологій декомпозиції області пошуку та множинних нейронних мереж, що побудовані на техніках асо- ціативних машин із груповими методами отримання рішення. Під час створення метамоделей викорис- тано багатовимірний комп’ютерний план експерименту з високою гомогенністю на основі безпараметри- чної адитивної Rd-послідовності Кронекера. Проведено чисельні експерименти щодо визначення розподілу густини вихрових струмів, утвореного синтезованими структурами збудження. Показано переваги вико- ристання системи збудження об’ємної структури у порівнянні із класичними та планарними в сенсі збі- льшення ширини зони контролю, яка характеризується однорідною чутливістю. Наведено приклади прак- тичної реалізації системи збудження накладного вихрострумового перетворювача з об’ємною її структурою. Бібл. 13, рис. 8, табл. 1. Ключові слова: вихрострумовий перетворювач, густина вихрового струму, ефект швидкості, система збу- дження, однорідна чутливість, сурогатна оптимізація, RBF-метамодель, безпараметрична адитивна Rd– послідовність, стохастичний алгоритм пошуку глобального екстремуму. Вступ. Дефектоскопічний контроль в промисловості значної частки металевих матеріалів та виробів, в тому числі з автоматичним скануванням, здійснюється з використанням накладних ви- хрострумових перетворювачів (НВСП) класичних конструкцій. Сучасні вимоги до неруйнівних засобів контролю вимагають не тільки виявлення різноманітних дефектів, зокрема дефектів пору- шень суцільності та структури матеріалів й виробів, але також встановлення їхньої форми, допусти- мих розмірів, прийнятності структурних відхилень, що є значно складнішою проблемою. Перехід до дефектометрії, що є викликом сьогодення, передбачає значно більш жорсткі вимоги до характе- ристик ВСП. Слід враховувати, що розв’язок так званих задач дефектометрії, тобто ідентифікації дефектів, має значні економічні наслідки. Ефективне виконання ідентифікації дефектів значно скорочує пере- браковку як матеріалів на підготовчому етапі виробництва, так і вже готових виробів під час визна- чення їхньої придатності до експлуатації або в її процесі, що суттєво впливає на кінцеві матеріальні затрати виробництва. Ідеальному НВСП властивий однорідний розподіл густини вихрових струмів (ГВС) в об’єкті контролю (ОК). Для класичних конструкцій НВСП притаманний нелінійний неоднорідний розподіл ГВС, що обумовлює неоднорідну чутливість таких перетворювачів до дефектів. Нама- гання реалізації близького до ідеального розподілу ГВС призвело до появи розмаїття конструкцій НВСП [1-5] з більш досконалими системами збудження (СЗ), досить детальний аналіз яких міс- титься в статті [6]. Загальним для всіх цих досліджень є розгляд нерухомих відносно ОК перетво- рювачів. Якщо швидкість переміщення НВСП υ перевищує 30 м/с, то розподіл ГВС в ОК зміню-  © Гальченко В.Я., Трембовецька Р.В., Тичков В.В., 2021 ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-0304-372X ; https://orcid.org/0000-0002-2308-6690 ; * https://orcid.org/0000-0001-9997-307X ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2021. № 3 11 ється внаслідок індукування додаткових вихрових струмів (ВС) та виникає необхідність враху- вання так званого ефекту швидкості, викликаного струмами перенесення. Перші спроби синтезу рухомих НВСП з однорідним розподілом ГВС в ОК, а відповідно однаковою чутливістю до дефе- ктів, зроблено у роботі [7], де розглядалися перетворювачі з коаксіальними планарними СЗ. Отримані результати спонукають до подальшого вдосконалення СЗ НВСП, зокрема оцінки мож- ливості використання об’ємних СЗ як більш перспективних задля створення однорідних НВСП. Мета роботи – розробка методу нелінійного параметричного сурогатного синтезу рухо- мих НВСП з об’ємною структурою збудження, які забезпечують однорідний розподіл ГВС на по- верхні в зоні контролю об’єкту з врахуванням ефекту швидкості, що реалізується стохастичним метаевристичним алгоритмом пошуку глобального оптимуму екстремальної задачі. Постановка задачі оптимального синтезу. Задача оптимального синтезу НВСП, що має одно- рідну чутливість в зоні контролю, є нелінійною оберненою задачею (ОЗ) математичного моделювання, основні етапи розв’язання якої показано на рис. 1. Вихідними даними для проектуван- ня є електрофізичні та геометричні харак- теристики об’єкту (електрична провідність , відносна магнітна проникність r, тов- щина d ОК), певні параметри СЗ НВСП (радіуси r0m котушок збудження, висоти їхнього розташування z0m над ОК, кіль- кість секційних котушок M, швидкість ру- ху  перетворювача відносно ОК, струм збудження І з круговою частотою ω), бажаний розподіл ГВС в зоні контролю, а результатом – варіант конструкції СЗ, який має в ідеалі оптимальні структуру та її технічні характеристики (rm, zm, Iw). Блок “Точний аналіз” на рис. 1 слід асоціювати з розв'язком прямої задачі визначення розподілу ГВС в ОК, геометричну модель якої показано на рис. 2. Формулювання такої задачі проектування НВСП здійснюється в варіаційній (оптимізацій- ній) постановці, тобто шляхом мінімізації квадратичного функціонала у вигляді різниці між ба- жаними значеннями ГВС Jref в контрольних точках зони ОК та відповідною ГВС J, створеною ко- тушками СЗ НВСП в тих самих точках [8]. Гомогенна об’ємна СЗ являє собою сукупність послі- довно з’єднаних секційних котушок з внутрішнім та зовнішнім радіусами r1 і r2 й прямокутним перетином, ширина та висота якого визначаються лінійними розмірами a, b. Котушки живляться змінним струмом І частотою ω з відповідним включенням зустрічним або узгодженим “по полю” та розташовані на висоті zmi над ОК (рис. 2). Розв’язком задачі є параметри об’ємної СЗ, а саме середні радіуси котушок збудження (КЗ) rmi, їхня середня висота zmi розташування над ОК та зна- чення магніторушійної сили Iwi для кожної котушки, що забезпечують наперед заданий розподіл ГВС на поверхні в зоні контролю. СЗ НВСП, отримані в результаті синтезу, в загальному випадку є об’ємні, але можуть включати до своєї структури коаксіальні секційні котушки, що розташовані на одній висоті над ОК, застосування яких за відповідної схеми включення дає змогу зменшити нерівномірність роз- поділу ГВС. Розв’язок прямої задачі електродинаміки. Аналітичний розв’язок системи рівнянь Максвелла за умови неперервності тангенціальної складової на- пруженості магнітного поля та нормальної складової магнітної індукції на границях розділу середовищ дає розподіл комплексних компонент магнітної індукції B2x, B2y, B2z в середовищі ОК із врахуванням швидко- сті руху НВСП [9]. Математична модель одинарної КЗ НВСП з нескінченно малим перетином отримана за наступних припущеннях: середовище ОК лінійне, однорідне, ізотропне; ОК рухомий зі сталою швидкі- стю  , ,0x y    , струмопровідний з електрофізич- ними параметрами електричної провідності , відно- Рис. 1 Рис. 2 12 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2021. № 3 сної магнітної проникності r, нескінченної ширини і довжини та має кінцеву товщину d. Мате- матичну модель для тонкого витка використано задля створення моделі КЗ із прямокутним попе- речним перетином, отриманої додатковим інтегруванням по площі перетину за умови сталої гус- тини струму в ньому. Тоді складові ГВС за просторовими координатами х, y відповідно визнача- ються за формулами           2 2 2 2 2 2 2 0 2 2 0 0 0 0 0 1 8 1 1 , , 1                                                                                 d d z r d d j x yz s m E m x r I w j e e e a b e y e e e I r a I z b d d J                                     2 2 2 2 2 0 2 2 0 0 0 0 1 1 8 1 1 , , ,                                                                                         d d z r d d j x yz s m E m I w e e e a b e z e e e I r a I z b d d                                                    (1)           2 2 2 2 2 0 2 2 0 0 0 0 0 1 8 1 1 , , 1 d d z r d d j x yz s m E m y r I w e e e a b e z e e e I r a I z b d d J                                                                                                                     2 2 2 2 2 2 2 0 2 2 0 0 0 0 1 8 1 1 , , d d z r d d j x yz s m E m I w j e e e a b e x e e e I r a I z b d d                                                                                                                                             (2) де  2 2 0 0 ;r x y rj j                                     2 2 2 2 2 0 2 2 2 2 2 2 2 1 ; d r d r r e e                                          2 2 2 2 0 2 2 2 2 2 2 2 4 ; d r d r r e e                                            2 2 2 12 2 2 2 , ; a m s m m a r p I r a j J r p dp                      2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 , m m m bz b bz q E m bz е I z b e dq е е                                            ; J1 – функція Беселя 1-го роду 1-го порядку від комплексного аргументу; a = r2 - r1; b = z2 - z1; rm = (r1 + r2)/2; zm = (z1 + z2)/2 – середнє зна- чення радіусу та висоти розташування котушки відповідно; , , p, q – змінні інтегрування. Частинні похідні в попередніх виразах легко взяти аналітично, але внаслідок громіздкості кі- нцеві результати в статті не наведено. Як показали результати досліджень [7], використання “точних” електродинамічних моделей (1, 2), що містять невласні кратні інтеграли 1-го роду та досить складні інтеграли зі спеціальними функціями Беселя в підінтегральних виразах, в задачі оптимального синте- зу НВСП недоцільно, оскільки їхній обрахунок є вельми ресурсоємним по часу навіть без врахування чисельного розрахунку інтеграла Is(rm, a). Тому має сенс застосування технології сурогатної оптимі- зації, яка добре зарекомендувала себе у разі розв’язку таких ресурсоємних задач [7, 8]. «Точні» мате- матичні моделі використовуються в сурогатній оптимізації тільки для побудови моделі-замісника ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2021. № 3 13 (метамоделі) та вже на завершальному етапі проектування, а саме задля перевірки адекватності отри- маної синтезованої СЗ НВСП, і не застосовуються на етапі пошуку екстремуму. Побудова метамоделі. В досліджуваному випадку метамодель є функцією чотирьох аргументів – просторових координат x, y, радіусів КЗ та висот їхнього розташування над ОК. Загальна технологія побудови метамоделей із застосуванням штучного інтелекту, зокрема RBF-нейронних мереж (НМ), ви- світлювалася авторами в роботах [7, 8] і була успішно реалізована на різноманітних прикладах як для двовимірного, так і багатовимірного факторного простору. Задля отримання необхідної точності мета- моделі вже за трьох її аргументах доводиться застосувати різноманітні методи побудови НМ такі, як множинні НМ з усередненням по ансамблю, підсиленням (boosting) [8], адитивну НМ регресію та вико- ристовувати техніку розбиття факторного гіперпростору на множину простіших задач із різними вимо- гами до точності апроксимації з наступним об’єднанням окремих метамоделей в єдину безперервну [7]. Враховуючи нелінійність та нерегулярну поведінку гіперповерхні відгуку, задля створення метамоделі використано гібридний підхід, коли одночасно застосувалися технології декомпозиції області пошуку та НМ, побудовані на техніках асоціативних машин із груповими методами отримання рішення. Деко- мпозиція простору пошуку має сенс, оскільки, по-перше, для процедури адекватного навчання RBF- мереж із чотирма змінними необхідна велика кількість прикладів; по-друге, в діапазоні зміни радіуса існує великий розмах значень ГВС безпосередньо в області під котушкою та поза нею. Все це унемож- ливлює використання глобальної RBF-нейромережі через велику похибку для отриманої таким чином метамоделі. Тому простір пошуку розбивається на декілька підобластей: по висоті розташування НВСП над ОК – Iz (2  z 3 мм), IIz (3 < z 4 мм) та по радіусу котушки – Іr (2  r  5 мм), ІІr (5 < r  7 мм), ІIIr (7 < r  9 мм), ІVr (9 < r  11 мм), Vr (11 < r  13 мм), VІr (13 < r  15 мм). Побудова метамоделей вико- нується в кожній окремій підобласті і кінцева сурогатна модель отримується за допомогою «зшивки» складових частин. З цих же причин кількість вузлових для апроксимації точок плану експерименту (ПЕ) задається для кожної підобласті факторного простору різною відповідно до поведінки гіперповер- хні відгуку з метою максимально точного її відтворення. Вихідні дані для побудови метамоделі: x = - 45…45 мм; y = 0…35 мм, радіуси КЗ r = 2…15 мм, висоти їхнього розташування над ОК zm = 2…4 мм. Також задаємося геометрични- ми та електрофізичними параметрами ОК: d = 10 мм,  = 3,745ꞏ107 См/м, μr = 1, швидкістю руху перетворювача відносно ОК υ = (40; 0; 0) м/с та частотою струму збудження f = 5 кГц. Суттєве значення задля створення прийнятної за точністю метамоделі має ПЕ. Основним критерієм під час вибору комп’ютерного ПЕ серед множини наявних є можливість генерації то- чок, які рівномірно заповнюють простір пошуку, що збільшує ймовірність їхнього потрапляння в області екстремумів чи перегинів гіперповерхні відгуку [10]. Під час створення багатовимірних планів виникають певні складнощі, з одного боку необхідно обмежитися мінімальною кількістю використовуваних точок спостереження, а з іншого кількість інформації, яку можна отримати за допомогою відібраних точок, повинна бути максимальною. Тому важливо забезпечити рівномір- ний розподіл точок в гіперпаралелепіпеді мінімальною їхньою кількістю. Серед одновимірних квазівипадкових розширюваних послідовностей, що характеризуються низькою узагальненою розбіжністю та зменшеною ймовірністю до локальної негомогенності, найкращою вважається ЛПτ-послідовність Соболя. Але з врахуванням переваг, які відзначено авторами в [11], в даному дослідженні застосовано багатовимірний ПЕ на основі квазівипадкової безпараметричної адитив- ної Rd-послідовності Кронекера з використанням ірраціональних чисел, які отримано на основі узагальненої послідовності Фібоначчі. Якість розподілу оцінюється за показниками центрованої та циклічної розбіжностей для N точок плану в чотиривимірному просторі. Реалізація R4- послідовностей спочатку виконана в одиничному гіперкубі із кількістю точок N=1250 (табл.), що відповідно мають центровану розбіжність – 2.160538ꞏ10-4 та циклічну розбіжність – 6.321335. Де- які проєкції розподілу точок проілюстровано на рис. 3. Далі виконано масштабування отриманих R4-послідовностей на діапазон абсолютних величин змінних, що зазначені вище. № п/п 1 2 3 4 5 1248 1249 1250 x 0.357 0.213 0.07 0.927 0.783 …. 0.63 0.487 0.344 y 0.234 0.968 0.702 0.436 0.169 …. 0.397 0.131 0.865 r 0.129 0.757 0.386 0.015 0.644 …. 0.126 0.755 0.383 z 0.039 0.577 0.116 0.654 0.193 …. 0.669 0.208 0.747 14 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2021. № 3 Рис. 3 Особливості та верифікація отриманої метамоделі. Прийнятну точність метамоделі отримано із застосуванням адитивної НМ регресії [12] у разі побудови декількох каскадів НМ з наступним додатковим використанням на кожному каскаді комітетів тільки для мереж, що мають продуктивність понад 90 %. Задане значення середньої відносної модельної похибки (або середньої похибки апроксимації) МАРЕ на рівні 25 % обумовлює складність такої НМ, тобто кі- лькість каскадів нарощується до тих пір, поки не буде досягнуто необхідної точності. Задля фор- мування підвибірок застосовано процедуру беггінгу [12] для кожної декомпозиційної підобласті. З метою відбору найкращих створені таким чином метамоделі оцінювалися за показниками кое- фіцієнту детермінації R2, відношення стандартних відхилень S.D.ratio; MAPE,%. Тоді як відтворена поверхня відгуку оцінювалася додатково ще за наступними показниками адекватності: суми квадратів відповідно регресії, залишків, загальної; середніх квадратів тих самих показників; дисперсії відтворюваності, адекватності, загальної; стандартної похибки оцінки відтворюваності, оцінки адекватності, загальної [13]. На рис. 4 наведено лінії рівня зрізів поверхні відгуку, відтво- рені на точках Nвідтв>Nнавч для підобластей IIz-Іr, IIz-IIIr, Iz-VIr, що мають MAPE відповідно 6.22 %, 9.89 %, 25.52 %. Для інших підобластей похибка МАРЕ знаходиться у вказаних граничних межах. Рис. 4 Оптимальний синтез СЗ. Реалізація задачі оптимального нелінійного синтезу відбувала- ся із застосуванням створених метамоделей, тобто виконувалася сурогатна оптимізація. При цьо- му одночасно визначалися всі шукані параметри СЗ. Розв’язок нелінійної ОЗ отримано стохасти- чними алгоритмами пошуку глобального екстремуму, а саме гібридним алгоритмом на основі ге- нетичного з локальним пошуком симплексним методом Нелдера-Міда та популяційним метаев- ристичним алгоритмом оптимізації роєм частинок з еволюційним формуванням складу рою, що являє собою низькорівневу гібридизацію генетичного алгоритму й алгоритму PSO. Чисельні ре- зультати синтезу НВСП за апріорі заданого П-подібного розподілу ГВС в зонах контролю 7 мм ≤ r ≤ 20 мм та 5 мм ≤ r ≤ 20 мм для трьох об’ємних СЗ НВСП зі структурами з 3-х, 4-х та 5-х котушок показано на рис. 5. Кількість контрольних точок у функціоналі складала Nk=60, вони розташовувалися рівномірно на поверхні ОК в області адекватності метамоделі. Конструкції син- тезованих СЗ перетворювачів показано схематично на рис. 5, а. Для даних СЗ за «точними» ма- тематичними моделями отримано розподіли ГВС вздовж осі Ох (графік 1 на рис. 5, б). Для порів- няння там же наведено бажаний розподіл ГВС (графік 2) та розподіли, утворені одинарним вит- ком, що має радіус 15 мм та розташований на висотах 2 та 4 мм над ОК відповідно (графіки 3, 4). Також для наочності синтезований розподіл ГВС представлено у вигляді ліній рівня (рис. 5, в). Спостерігається певне невиконання умов синтезу щодо інтенсивності ГВС в зоні контро- лю, яких не вдається уникнути у разі послідовного ускладнення структури СЗ. Але цей факт не є ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2021. № 3 15 критичним тому, що позитивні тенденції щодо зони однорідності розподілу ГВС є стійкими та саме це є надважливим. Також очевидними в цьому сенсі є переваги синтезованих СЗ перед їхні- ми класичними аналогами-одинарними витками. Порівняльний аналіз НВСП із планарними [7] та об’ємними коаксіальними СЗ свідчить щодо більших потенційних можливостей останніх задля забезпечення вимог однорідності. Це можливо пояснити більшою варіабельністю структур СЗ, що обумовлено дозволеним просторовим розташуванням окремих секційних котушок. а б в Рис. 5 Практична реалізація синтезованої СЗ НВСП. Проілюструємо викладене вище прикла- дами реального виготовлення СЗ перетворювача М = 4 (Iw1 = - 0.901, Iw2 = 1.457, Iw3 = - 11.01, Iw4 = 12.31), технічні параметри якої отримано внаслідок комп’ютерного моделювання за запро- понованим методом синтезу апріорі заданого розподілу ГВС в ОК. Якщо розміщення у просторі секційних котушок СЗ з визначеними їхніми геометричними параметрами не викликає труднощів у конструюванні, забезпечення зустрічного або узгодженого “по полю” характеру їхнього вклю- чення достатньо просто виконується зміною напрямку секційної намотки (знак “мінус” означає протилежний напрямок), то питання виконання умов щодо реалізації магніторушійних сил в сек- ційних котушках не є тривіальним. Найпростішим варіантом практичної реалізації НВСП з об’ємною структурою СЗ є її збудження від одного джерела. Враховуючи дійсні значення МРС, отримані в результаті обчислень, доводиться округлити кількість витків в секціях до цілих зна- чень (наприклад, І = 0.5 А, w1 = - 2, w2 = 3, w3 = - 22, w4 = 25). Такі дії призводять до певного спо- творення первинно отриманого розподілу ГВС в ОК, що потребує додаткового перевірочного 16 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2021. № 3 розрахунку, результати якого наведено на рис. 6: а – розподіли ГВС синтезованої та реальної конс- трукцій, б – гістограма відносної похибки відтворення розподілу ГВС. Середня відносна похибка відтворення розподілу складає 3.65 %. а б Рис. 6 Наступним способом практичної реалізації СЗ є варіант, ідея якого полягає в наступному. Джерело збудження СЗ характеризується струмом, який на порядок менший за розрахунковий. Отже, тоді кількість витків в секційних котушках, що з’єднані послідовно, збільшується відповідно на по- рядок та округляється до цілих значень (І = 0.05 А, w1 = - 18, w2 = 29, w3 = - 220, w4 = 246). Результати чисельних експериментів ілюструються графіками на рис.7: а – розподіли ГВС синтезованої та реа- льної конструкцій, б – гістограма відносної похибки відтворення розподілу ГВС. Середня відносна похибка відтворення розподілу складає 2 %. а б Рис. 7 Більш досконалим слід вважати спосіб практичної реалізації СЗ НВСП, коли її збудження здійснюється від двох джерел, струм в яких різниться на порядок. В цьому випадку намотка сек- ційних котушок виконується двома дротами, одним з яких реалізуються обмотки, що містять цілу частину дійсних чисел кількості витків, а другим – обмотки, що є десятковими частинами тих са- мих дійсних чисел (І1 = 0.5 А, w1 = - 1, w2 = 2, w3 = - 22, w4 = 24; І2 = 0.05 А, w1 = - 8, w2 = 9, w3 = 0, w4 = 6). Результати чисельного моделювання показано на рис. 8: а – розподіли ГВС синтезованої та реальної конструкцій, б – гістограма відносної похибки відтворення розподілу ГВС. Середня віднос- на похибка відтворення розподілу складає 0.89 %. Слід зазначити, що ускладнення електронної схеми під час практичного виконання систем збудження та обробки сигналу НВСП досить легко уникнути використанням одного двоканально- го джерела збудження. За необхідності кількість джерел збудження СЗ можна збільшувати, але накопичений до- свід свідчить щодо достатності попередніх заходів задля забезпечення відтворюваності синтезо- ваного розподілу ГВС. ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2021. № 3 17 а б Рис. 8 Висновки. Запропоновано метод сурогатного нелінійного параметричного синтезу рухо- мих НВСП з об’ємною структурою збудження, що забезпечують близький до однорідного розпо- діл ГВС на поверхні в зоні контролю об’єкту з врахуванням ефекту швидкості та реалізують од- накову чутливість до дефектів. Розроблено алгоритми та програмні засоби реалізації методу, зок- рема розрахунків прямої задачі за «точною» електродинамічною моделлю, створення RBF- метамоделей, методик покращення їхніх апроксимаційних можливостей в гіперпросторі, ефекти- вних багатовимірних комп’ютерних ПЕ з низькими показниками центрованої та циклічної розбі- жностей, сучасних популяційних метаевристичних стохастичних гібридних алгоритмів пошуку глобального екстремуму, чисельної технології умовної сурогатної оптимізації. На чисельних експериментах продемонстровано переваги синтезованих СЗ НВСП з об’ємною структурою перед їхніми класичними аналогами, а також СЗ із планарною структурою. Наведено приклади практичної реалізації СЗ НВСП з об’ємною структурою. SYNTHESIS OF EDDY CURRENT PROBES WITH VOLUMETRIC STRUCTURE OF THE EXCITATION SYSTEM, IMPLEMENTING HOMOGENEOUS SENSITIVITY IN THE TESTING ZONE V.Ya. Halchenko, R.V. Trembovetska, V.V. Tychkov Cherkasy State Technological University, 460, Shevchenko Blvd., Cherkasy, 18006, Ukraine. E-mail: v.tychkov@chdtu.edu.ua A method for nonlinear surrogate synthesis of surface eddy current probes with a volumetric structure of the exci- tation system was proposed. This method a priori provides a given uniform distribution of eddy current density in the testing object area where the measuring coil is located. The implementation of the task using modern metaeuristic stochastic algorithms for finding the global extremum was achieved. For the effective usage of such algorithms, taking into account the effect of velocity, metamodels of eddy current probe were preliminarily cre- ated. They were built using a productive approximation technique based on artificial radial-basis neural networks with a Gaussian activation function. Acceptable accuracy of metamodels was achieved due to the simultaneous application of the search area decomposition technologies and plural neural networks based on the techniques of associative machines with group methods for obtaining a solution. For metamodels creation a multidimensional computer experiment design with high homogeneity was used on the basis of the parameterless additive Rd- Kronecker sequence. Numerical experiments to determine the eddy current density distributions which formed by synthesized excitation structures were carried out. The advantages of using a three-dimensional structure excita- tion system in comparison with classical and planar ones in terms of increasing the width of the testing zone, which is characterized by uniform sensitivity, were shown. Examples of practical implementation of an excitation system with a volumetric structure for an surface eddy current probe are given. References 13, figures 8, table 1. Key words: eddy-current probe, eddy current density, velocity effect, excitation system, homogeneous sensitivity, surrogate optimization, RBF-metamodel, parameterless additive Rd-sequence, stochastic algorithm global extre- mum finding. 18 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2021. № 3 1. Repelianto A.S., Kasai N. The improvement of flaw detection by the configuration of uniform eddy current probes. Sensors. 2019. Vol. 19. No 2. Article № 397. DOI: https://doi.org/10.3390/s19020397 2. Ribeiro A.L., Ramos H.G., Postolache O. A simple forward direct problem solver for eddy current non- destructive inspection of aluminum plates using uniform field probes. Measurement. 2012. Vol. 45. No 2. Pp. 213- 217. DOI: https://doi.org/10.1016/j.measurement.2011.03.029 3. Postolache O., Lopes A., Ramos H.G. GMR array uniform eddy current probe for defect detection in conductive specimens. Measurement. 2013. Vol. 46. Pp. 4369–4378. DOI: https://doi.org/10.1109/IMTC.2010.5488189 4. Hoshikawa H., Koyama K., Mitsuhashi S. Eddy Current and Magnetic Testing of Magnetic Material by Uniform Eddy Current Probe. Review of Quantitative Nondestructive Evaluation. 2005. Vol. 24. Pp. 494-501. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4615-5339-7_137 5. Li Y., Ren S., Yan B., Zainal Abidin I.M., Wang Y. Imaging of Subsurface Corrosion Using Gradient- Field Pulsed Eddy Current Probes with Uniform Field Excitation. Sensors. 2017. Vol. 17. Article № 1747. DOI: https://doi.org/10.3390/s17081747 6. Halchenko V.Ya., Trembovetskaya R.V., Tychkov V.V. Surface eddy current probes: excitation systems of the optimal electromagnetic field (review). Devices and Methods of Measurements. 2020. Vol. 11. No 2. Pp. 91-104. DOI: https://doi.org/10.21122/2220-9506-2020-11-2-91-104 7. Halchenko V.Ya., Trembovetska R.V., Tychkov V.V., Storchak A.V. Nonlinear surrogate synthesis of the surface circular eddy current probes. Przegląd elektrotechniczny. 2019. No 9. Pp. 76-82. DOI: https://doi.org/10.15199/48.2019.09.15 8. Halchenko V.Ya., Trembovetskaya R.V., Tychkov V.V. Development of excitation structure RBF- metamodels of moving concentric eddy current probe. Electrical Engineering & Electromechanics. 2019. No 2. Pp. 28-38. DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2019.2.05 9. Itaya T., Ishida K., Kubota Y., Tanaka A., Takehira N. Visualization of Eddy Current Distributions for Arbitrarily Shaped Coils Parallel to a Moving Conductor Slab. Progress In Electromagnetics Research M. 2016. Vol. 47. Pp. 1-12. DOI: https://doi.org/10.2528/PIERM16011204 10. Santner T.J., Williams B.J., Notz W.I. The Design and Analysis of Computer Experiments. New York: Springer (Springer series in statistics), 2018. 446 p. 11. Halchenko V.Ya., Trembovetska R.V., Tychkov V.V., Storchak A.V. The Construction of Effective Multidimensional Computer Designs of Experiments Based on a Quasi-random Additive Recursive Rd–sequence. Applied Computer Systems. 2020. Vol. 25. No 1. Pp. 70-76. DOI: https://doi.org/10.2478/acss-2020-0009 12. Géron A. Hands-On Machine Learning with Scikit-Learn, Keras and TensorFlow: Concepts, Tools, and Techniques to Build Intelligent Systems. 2nd Edition. O'Reilly Media, Inc. 2019. 856 p. 13. Brink H., Richards J., Feverolf M. Machine Learning. Sankt-Peterburg: Peter, 2017. 336 p. (Rus.) Надійшла 20.08.2020 Остаточний варіант 04.01.2021
id	techned_org_ua-article-165
institution	Technical Electrodynamics
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-06-16T01:02:37Z
publishDate	2021
publisher	Інститут електродинаміки НАН України, Київ
record_format	ojs
resource_txt_mv	technedorgua/e2/deca4823263f76fb09bffe356a8be4e2.pdf
spelling	techned_org_ua-article-1652022-12-07T14:45:56Z SYNTHESIS OF EDDY CURRENT PROBES WITH VOLUMETRIC STRUCTURE OF THE EXCITATION SYSTEM, IMPLEMENTING HOMOGENEOUS SENSITIVITY IN THE TESTING ZONE СИНТЕЗ ВИХРОСТРУМОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З ОБ’ЄМНОЮ СТРУКТУРОЮ СИСТЕМИ ЗБУДЖЕННЯ, ЩО РЕАЛІЗУЄ ОДНОРІДНУ ЧУТЛИВІСТЬ В ЗОНІ КОНТРОЛЮ Гальченко, В.Я. Трембовецька, Р.В. Тичков, В.В. eddy-current probe eddy current density velocity effect excitation system homogeneous sensitivity surrogate optimization RBF-metamodel parameterless additive Rd-sequence stochastic algorithm global extremum finding вихрострумовий перетворювач густина вихрового струму ефект швидкості система збудження однорідна чутливість сурогатна оптимізація RBF-метамодель безпараметрична адитивна Rd–послідовність стохастичний алгоритм пошуку глобального екстремуму A method for nonlinear surrogate synthesis of surface eddy current probes with a volumetric structure of the excitation system was proposed. This method a priori provides a given uniform distribution of eddy current density in the testing object area where the measuring coil is located. The implementation of the task using modern metaeuristic stochastic algorithms for finding the global extremum was achieved. For the effective usage of such algorithms, taking into account the effect of velocity, metamodels of eddy current probe were preliminarily created. They were built using a productive approximation technique based on artificial radial-basis neural networks with a Gaussian activation function. Acceptable accuracy of metamodels was achieved due to the simultaneous application of the search area decomposition technologies and plural neural networks based on the techniques of associative machines with group methods for obtaining a solution. For metamodels creation a multidimensional computer experiment design with high homogeneity was used on the basis of the parameterless additive Rd-Kronecker sequence. Numerical experiments to determine the eddy current density distributions which formed by synthesized excitation structures were carried out. The advantages of using a three-dimensional structure excitation system in comparison with classical and planar ones in terms of increasing the width of the testing zone, which is characterized by uniform sensitivity, were shown. Examples of practical implementation of an excitation system with a volumetric structure for an surface eddy current probe are given. References 13, figures 8, table 1. Запропоновано метод нелінійного сурогатного синтезу накладних вихрострумових перетворювачів з об’ємною структурою системи збудження, що забезпечує апріорі заданий однорідний розподіл густини вихрових струмів в зоні контролю об’єкта, де розташовано вимірювальну котушку. Реалізація поставленої задачі досягнута із застосуванням сучасних метаевристичних стохастичних алгоритмів пошуку глобального екстремуму. Задля ефективного використання таких алгоритмів попередньо створено метамоделі вихрострумового перетворювача із врахуванням ефекту швидкості, які побудовано за допомогою продуктивної апроксимаційної техніки на основі штучних радіально-базисних нейронних мереж із гаусовою функцією активації. Досягнуто прийнятну точність метамоделей шляхом одночасного застосування технологій декомпозиції області пошуку та множинних нейронних мереж, що побудовані на техніках асоціативних машин із груповими методами отримання рішення. Під час створення метамоделей використано багатовимірний комп’ютерний план експерименту з високою гомогенністю на основі безпараметричної адитивної Rd-послідовності Кронекера. Проведено чисельні експерименти щодо визначення розподілу густини вихрових струмів, утвореного синтезованими структурами збудження. Показано переваги використання системи збудження об’ємної структури у порівнянні із класичними та планарними в сенсі збільшення ширини зони контролю, яка характеризується однорідною чутливістю. Наведено приклади практичної реалізації системи збудження накладного вихрострумового перетворювача з об’ємною її структурою. Бібл. 13, рис. 8, табл. 1. Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2021-04-19 Article Article application/pdf https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/165 10.15407/techned2021.03.010 Tekhnichna Elektrodynamika; No. 3 (2021): TEKHNICHNA ELEKTRODYNAMIKA; 010 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; № 3 (2021): ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; 010 2218-1903 1607-7970 10.15407/techned2021.03 uk https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/165/129 Авторське право (c) 2021 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0
spellingShingle	вихрострумовий перетворювач густина вихрового струму ефект швидкості система збудження однорідна чутливість сурогатна оптимізація RBF-метамодель безпараметрична адитивна Rd–послідовність стохастичний алгоритм пошуку глобального екстремуму Гальченко, В.Я. Трембовецька, Р.В. Тичков, В.В. СИНТЕЗ ВИХРОСТРУМОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З ОБ’ЄМНОЮ СТРУКТУРОЮ СИСТЕМИ ЗБУДЖЕННЯ, ЩО РЕАЛІЗУЄ ОДНОРІДНУ ЧУТЛИВІСТЬ В ЗОНІ КОНТРОЛЮ
title	СИНТЕЗ ВИХРОСТРУМОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З ОБ’ЄМНОЮ СТРУКТУРОЮ СИСТЕМИ ЗБУДЖЕННЯ, ЩО РЕАЛІЗУЄ ОДНОРІДНУ ЧУТЛИВІСТЬ В ЗОНІ КОНТРОЛЮ
title_alt	SYNTHESIS OF EDDY CURRENT PROBES WITH VOLUMETRIC STRUCTURE OF THE EXCITATION SYSTEM, IMPLEMENTING HOMOGENEOUS SENSITIVITY IN THE TESTING ZONE
title_full	СИНТЕЗ ВИХРОСТРУМОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З ОБ’ЄМНОЮ СТРУКТУРОЮ СИСТЕМИ ЗБУДЖЕННЯ, ЩО РЕАЛІЗУЄ ОДНОРІДНУ ЧУТЛИВІСТЬ В ЗОНІ КОНТРОЛЮ
title_fullStr	СИНТЕЗ ВИХРОСТРУМОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З ОБ’ЄМНОЮ СТРУКТУРОЮ СИСТЕМИ ЗБУДЖЕННЯ, ЩО РЕАЛІЗУЄ ОДНОРІДНУ ЧУТЛИВІСТЬ В ЗОНІ КОНТРОЛЮ
title_full_unstemmed	СИНТЕЗ ВИХРОСТРУМОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З ОБ’ЄМНОЮ СТРУКТУРОЮ СИСТЕМИ ЗБУДЖЕННЯ, ЩО РЕАЛІЗУЄ ОДНОРІДНУ ЧУТЛИВІСТЬ В ЗОНІ КОНТРОЛЮ
title_short	СИНТЕЗ ВИХРОСТРУМОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З ОБ’ЄМНОЮ СТРУКТУРОЮ СИСТЕМИ ЗБУДЖЕННЯ, ЩО РЕАЛІЗУЄ ОДНОРІДНУ ЧУТЛИВІСТЬ В ЗОНІ КОНТРОЛЮ
title_sort	синтез вихрострумових перетворювачів з об’ємною структурою системи збудження, що реалізує однорідну чутливість в зоні контролю
topic	вихрострумовий перетворювач густина вихрового струму ефект швидкості система збудження однорідна чутливість сурогатна оптимізація RBF-метамодель безпараметрична адитивна Rd–послідовність стохастичний алгоритм пошуку глобального екстремуму
topic_facet	eddy-current probe eddy current density velocity effect excitation system homogeneous sensitivity surrogate optimization RBF-metamodel parameterless additive Rd-sequence stochastic algorithm global extremum finding вихрострумовий перетворювач густина вихрового струму ефект швидкості система збудження однорідна чутливість сурогатна оптимізація RBF-метамодель безпараметрична адитивна Rd–послідовність стохастичний алгоритм пошуку глобального екстремуму
url	https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/165
work_keys_str_mv	AT galʹčenkovâ synthesisofeddycurrentprobeswithvolumetricstructureoftheexcitationsystemimplementinghomogeneoussensitivityinthetestingzone AT trembovecʹkarv synthesisofeddycurrentprobeswithvolumetricstructureoftheexcitationsystemimplementinghomogeneoussensitivityinthetestingzone AT tičkovvv synthesisofeddycurrentprobeswithvolumetricstructureoftheexcitationsystemimplementinghomogeneoussensitivityinthetestingzone AT galʹčenkovâ sintezvihrostrumovihperetvorûvačívzobêmnoûstrukturoûsistemizbudžennâŝorealízuêodnorídnučutlivístʹvzoníkontrolû AT trembovecʹkarv sintezvihrostrumovihperetvorûvačívzobêmnoûstrukturoûsistemizbudžennâŝorealízuêodnorídnučutlivístʹvzoníkontrolû AT tičkovvv sintezvihrostrumovihperetvorûvačívzobêmnoûstrukturoûsistemizbudžennâŝorealízuêodnorídnučutlivístʹvzoníkontrolû

СИНТЕЗ ВИХРОСТРУМОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ З ОБ’ЄМНОЮ СТРУКТУРОЮ СИСТЕМИ ЗБУДЖЕННЯ, ЩО РЕАЛІЗУЄ ОДНОРІДНУ ЧУТЛИВІСТЬ В ЗОНІ КОНТРОЛЮ

Institution

Similar Items