СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
METHOD FOR VORTEX MEASUREMENT OF PHYSICAL AND MECHANICAL PARAMETERS

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам электрических измерений неэлектрических величин и может быть использовано для измерения перемещений и вибрации электропроводящих объектов, обнаружения поверхностных дефектов металлических объектов, измерения толщины диэлектрических покрытий на электропроводном основании, определения состава вещества объекта, оценки толщины металлизации на диэлектрическом основании, в качестве датчика наличия проводящего объекта, датчика оборотов и фазы, как бесконтактный выключатель и т.д. [G01N 27/90; G01B 7/14; G01H 11/00].
Из уровня техники известен СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ [RU 2185617, опубл.: 20.07.2002], основанный на использовании вихретокового преобразователя в виде параллельного колебательного контура, который устанавливают в зоне контроля и периодически подключают к источнику питания для формирования в параллельном колебательном контуре собственных затухающих колебаний, по величине затухания которых судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта, отличающийся тем, что в качестве источника питания используют источник постоянного стабильного тока, который подключают к параллельному колебательному контуру и отключают от него после окончания переходного процесса, после чего величину затухания определяют путем выбора полупериода с максимальным изменением амплитуды, которая соответствует максимальной чувствительности к изменению параметров контролируемого объекта.
Недостатком способа является его недостаточная точность, обусловленная тем, что выделение информативного параметра осуществляется путем измерения амплитуды полупериода одной синусоиды при помощи короткого импульса выборки-хранения, нестабильности временного положения и длительности которого приводят к дополнительным погрешностям. Измерение амплитудного значения всего лишь одной синусоиды также недостаточно точно вследствие нестабильности этого значения. Кроме того, переходные процессы, возникающие в электрических цепях при импульсном возбуждении контура, приводят к искажению основных колебаний и увеличивают погрешность измерений.
Наиболее близким по технической сущности является СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ [Инструкция по обслуживанию преобразователя вихревого тока 3300 фирмы Bently Nevada Corporation», USA, Nevada, 1989], заключающийся в том, что вихретоковый преобразователь перемещений в виде радиочастотного контура устанавливают в зоне контроля, формируют высокочастотные колебания в контуре при помощи автогенератора, переменное напряжение которых преобразуют в пропорциональный измеряемому параметру сигнал постоянного тока, по величине которого судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта.
Основной технической проблемой прототипа является высокие временная и температурная нестабильности и недостаточная точность измерений, характерные для всех способов, использующих автогенерацию на LC-контуре, и повышенное энергопотребление, что вызывает необходимость принятия специальных защитных мер при установке вихретокового датчика во взрывоопасных зонах.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности результатов измерений физико-механических параметров электропроводящих объектов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ вихретокового измерения физико-механических параметров, заключающийся в том, что вихретоковый преобразователь, выполненный в виде радиочастотного контура, размещают в зоне контроля, формируют в упомянутом контуре высокочастотные колебания, переменное напряжение которых преобразуют в пропорциональный измеряемому параметру сигнал постоянного тока, по величине сигнала судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта, отличающийся тем, что высокочастотные колебания синусоидальной формы в радиочастотном контуре формируют, подавая с внешнего генератора через высокоомный импеданс на радиочастотный контур вихретокового преобразователя высокочастотные колебания произвольной формы с высокостабильными амплитудой и частотой, полученные с контура высокочастотные колебания усиливают, детектируют, пропускают через фильтр низких частот, по величине полученного постоянного напряжения определяют степень активных потерь в материале и судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта.
В частности, в качестве высокоомного импеданса используют стабильную емкость, реактивное сопротивление которой на резонансной частоте радиочастотного контура на порядок больше сопротивления упомянутого контура.
В частности, величину полезного сигнала на выходе вихретокового датчика определяют добротностью радиочастотного контура Q и коэффициентом заполнения катушки k.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 показана структурная схема вихретокового преобразователя.
На фиг. 2 приведены эпюры выходного напряжения на выходе высокочастотного генератора.
На фиг. 3 приведены эпюры напряжения на контуре вихретокового датчика.
На фиг. 4 приведены эпюры напряжения на выходе усилителя-ограничителя.
На фиг. 5 приведены эпюры напряжения на выходе низкочастотного фильтра.
На фигурах обозначено: 1 - источник питания, 2 - высокочастотный генератор, 3 - высокоомный импеданс, 4 - вихретоковый датчик, 5 - усилитель-ограничитель, 6 - низкочастотный фильтр, 7 - усилитель-формирователь уровней, 8 - аналого-цифровой преобразователь, 9 - арифметико-логическое устройство, 10 - цифро-аналоговый преобразователь, 11 - катушка индуктивности.
Осуществление изобретения.
Вихретоковый контроль - один из методов неразрушающего контроля объектов из токопроводящих материалов, основанный на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля этим полем.
Вихретоковый преобразователь - устройство, состоящее из одной или нескольких индуктивных отметок, предназначенных для возбуждения в объекте контроля вихревых токов и преобразования зависящего от параметров объекта электромагнитного поля в сигнал преобразователя.
Сигнал вихретокового преобразователя - сигнал (э.д.с, напряжение или сопротивление преобразователя), несущий информацию о параметрах объекта контроля и обусловленный взаимодействием электромагнитного поля преобразователя с объектом контроля.
Добротность колебательного контура Q - характеристика, определяющая амплитуду и ширину амплитудно-частотной характеристики резонанса и показывающая, во сколько раз запасы энергии в контуре больше, чем потери энергии за один период колебаний.
Вихретоковый преобразователь, реализующий заявленный способ вихретокового измерения физико-механических параметров содержит источник питания 1 (см. Фиг. 1), выполненный в виде высокостабильного источника питания. К питающим выходам источника питания 1 подключен высокочастотный генератор 2. Выход упомянутого генератора 2 подключен на вход высокоомного импеданса 3, выход которого соединен с параллельным резонансным LC-контуром, образующим вихретоковый датчик 4 и усилителем-ограничителем 5.
Высокоомный импеданс 3 выполнен в виде термостабильного конденсатора с нулевым температурным коэффициентом емкости.
Вихретоковый датчик 4 состоит из катушки индуктивности 11, соединительного радиочастотного кабеля и емкости, которые образуют колебательный контур, при этом катушка индуктивности намотана на торце диэлектрической шпильки, выполненной из полимера с низким температурным коэффициентом линейного расширения.
Усилитель-ограничитель 5 выполнен на высокочастотном быстродействующем операционном усилителе, функционирующем с входными и выходными сигналами в режиме «от питания до питания» и представляет собой усилитель, работающий в режиме с отсечкой отрицательных полуволн синусоидального напряжения.
Выход усилителя-ограничителя 5 соединен со входом низкочастотного фильтра 6.
Выход низкочастотного фильтра 6 подключен ко входу усилителя-формирователя 7, выход которого, соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 8. Выход аналого-цифрового преобразователя 8 через арифметико-логическое устройство 9 соединен с цифро-аналоговым преобразователем 10.
Высокочастотный генератор 2, аналого-цифровой преобразователь 8, арифметико-логическое устройство 9 и цифро-аналоговый преобразователь 10 выполнены на одном микроконтроллере.
Вихретоковое измерение физико-механических параметров осуществляют следующим образом.
0
0
Сгенерированное в высокочастотном генераторе 2 переменное напряжение прямоугольной формы (см. Фиг. 2), амплитуда которого постоянна и равна напряжению питания упомянутого генератора 2, а частота колебаний стабилизирована резонатором (на фигурах не показан) с высокой температурной стабильностью, подают через высокоомный импеданс 3 на вихретоковый датчик 4 с индуктивностью L и емкостью C.
Добротность вихретокового датчика 4 определяют как:
0
0
Q = CRω,
0
0
0
где ω=1/√LC - резонансная частота, а R - эквивалентное параллельное сопротивление потерь:
0
0
2
2
R = (ω L)/r = rQ,
где r - последовательное сопротивление катушки индуктивности.
Потери в конденсаторе не учитывают вследствие их малости.
Благодаря высокой добротности контура Q вихретокового датчика 4 на его контуре формируют напряжение синусоидальной формы (см. Фиг. 3).
Вихретоковый датчик 4 приближают к контролируемой металлической поверхности. Изменение проводимости, вызванное приближением катушки индуктивности 11 вихретокового датчика 4 к металлической поверхности, вызывает максимальное, за счет высокоомного импеданса 3 с внутренним сопротивлением превышающем резонансное сопротивление вихретокового датчика 4, изменение амплитуды напряжения на контуре вихретокового датчика 4.
Индуктивность катушки индуктивности 11 с учетом влияния магнитной восприимчивости χ металлического объекта, находящегося вблизи катушки индуктивности 11 контура определяют как:
0
L=L(1+4πχk),
где k - коэффициент заполнения, определяемый как отношение энергии радиочастотного поля, которая сосредоточена в объеме металлического объекта, к полной энергии радиочастотного поля.
Для проводимости параллельного резонансного контура вихретокового датчика 4 получают выражение:
Так как k << 1, и, если |4πχ|<1, то выражение для проводимости параллельного контура принимает вид:
0
где R - эквивалентное сопротивление параллельного контура в отсутствие металлической поверхности.
Напряжение на контуре вихретокового датчика 4 при резонансе в отсутствии металлического объекта равно:
0
0
U=IR
Падение напряжения на контуре вихретокового датчика 4 определяют как:
U=IR, где R = 1/σ.
Стальная пластина приводит, в основном, к существенному изменению добротности контура Q вихретокового датчика 4, при этом резонансная частота контура меняется незначительно. Исходя из этого регистрируемое изменение напряжения сигнала на контуре определяют как:
Таким образом, величину полезного сигнала на выходе вихретокового датчика 4 определяют добротностью контура Q и коэффициентом заполнения катушки k, то есть расстоянием до металлической пластины:
1
Далее, напряжение U на выходе с контура вихретокового датчика 4 усиливают и детектируют усилителем-ограничителем 7.
3
3
раз.
min
min
Продетектированные полуволны (см.Фиг. 4) пропускают через низкочастотный фильтр 6, причем постоянную заряда t упомянутого фильтра 6 выбирают так, чтобы t << T, где T - период колебаний, а постоянная разряда фильтра находится в следующем соотношении T ≤ t < T, где T - минимальное время повторения измерений.
Полученное на выходе низкочастотного фильтра 6 постоянное по величине напряжение (см. Фиг. 5) усиливают и формируют необходимые значения напряжений на усилителе-формирователе уровней 7. Полученный сигнал измеряют в аналого-цифровом преобразователе 8, линеаризуют в арифметико-логическом устройстве 9, переводят вновь в аналоговую форму с помощью цифро-аналогового преобразователя 10 и подают на выход. По величине выходного сигнала определяют степень активных потерь в материале объекта, а по ним, соответственно, расстояние до объекта, степень чистоты поверхности и другие физико-механические параметры.
Вихретоковый перобразователь, изготовленный в 2019 году в соответствии с приведенным выше описанием обеспечил высокую температурную стабильность и чувствительность измерений за счет существенного увеличения стабильности амплитуды и частоты колебаний высокодобротного LC-контура вихретокового датчика 4, обусловленных соединением упомянутого датчика 4 с высокочастотным генератором 2, имеющим высокую долговременную стабильность амплитуды выходного напряжения через высокоомный импеданс 3, сопротивлением, значительно превышающим сопротивление вихретокового датчика 4 и усилением с отсечкой отрицательных полуволн синусоидального напряжения, полученного на выходе вихретокового датчика 4 высокочастотным быстродействующим усилителем-ограничителем 5 с последующей фильтрацией сигнала низкочастотным фильтром 6 и формированием усилителем-формирователем уровней 7 напряжений, обеспечивающих оптимальный режим работы аналого-цифрового преобразователя 8, преобразующего сигнал для последующей линеаризации в цифровом арифметическом логическом блоке 9 и обратного преобразования в аналоговую форму цифро-аналоговым преобразователем 10 для отображения результатов измерений.
Линеаризация проводилась для расстояний 0,25-2,75 мм до поверхности стального диска, выполненного из стали марки 40х.
i
Линеаризация проведена для расстояний 0,25…2,75 мм до поверхности стального диска, выполненного из стали марки 40х. В результате измерений, проведенных описанным способом, при котором формируют постоянным импульсным напряжением поданным через высокоомный импеданс высокочастотные колебания в контуре вихретокового датчика 4, формируют в упомянутом контуре высокочастотные колебания синусоидальной формы, размещают вихретоковый датчик 4 в зоне контроля, определяют величину изменения напряжение сигнала на контуре, вызванное изменением индуктивности катушки индуктивности 11 контура, полученный с контура сигнал усиливают, детектируют и пропускают через фильтр, получена линейная зависимость напряжения выходного полезного сигнала U от величины зазора между вихретоковым датчиком 4 и стальным диском с погрешностью ±5 микрон, а погрешность измерения расстояний в диапазоне температур вихретокового датчика 4 -60 - +125 градусов Цельсия составила не более 50 микрон, обусловленная температурным дрейфом катушки индуктивности 11 вихретокового датчика 4 и потерями на вихревые токи в металле контролируемого объекта, электрическое сопротивление которого зависит от температуры. Температурный дрейф измерения расстояний, обусловленный электронной схемой в диапазоне температур -40 - +85 градусов Цельсия, без учета дрейфа потерь катушки индуктивности 11 вихретокового датчика 4 и металлического объекта составил не более 10 мкм.
Таким образом, за счет повышения временной и температурной стабильности и чувствительности измерений физико-механических параметров электропроводящих объектов решена задача, на которую направлено изобретение - повышение класса точности измерений.