Способ косвенного вихретокового резонансного контроля и измерения температуры изделий из ферромагнитных материалов
METHOD FOR INDIRECT EDDY CURRENT RESONANCE CONTROL AND MEASUREMENT OF TEMPERATURE OF PRODUCTS MADE OF FERROMAGNETIC MATERIALS

Изобретение относится к области термометрии, а именно к способам косвенного измерения температуры, и может быть использовано для бесконтактного контроля и измерения температуры изделий из ферромагнитных материалов непосредственно в процессе нагрева токами заданной частоты.
В основе способов вихретокового косвенного измерения температуры лежит анализ температурнозависимых параметров проводящих сред, в том числе ферромагнитных материалов, помещённых в переменное магнитное поле, генерируемое катушкой индуктивности (индуктором).
Следовательно, вихретоковый способ предполагает измерение температуры в слоях материала, участвующих в прохождении индуцированных токов заданной частоты.
Система, состоящая из индуктора и нагреваемого электропроводящего изделия, представляет собой трансформатор, одна из обмоток которого, замкнута накоротко. Изменение температурнозависимых параметров нагреваемого изделия, например, удельного электрического сопротивления или относительной магнитной проницаемости, оказывает влияние на электрические параметры цепи индуктора, в том числе на сдвиг фазы между током и напряжением индуктора, на амплитуду тока цепи индуктора и напряжения на индукторе.
Из современного уровня техники известен способ косвенного вихретокового контроля и измерения температуры проводящих материалов, а именно ёмкостей для варки, на основе анализа их температурнозависимых параметров в процессе нагрева с помощью индукционной кухонной плиты (US7692121B2, опубл. 6.04.2010. - «Temperature control for an inductively heated heating element»). Питание индуктора осуществляется при помощи полумостовой транзисторной схемы, а измерение температуры осуществляется на основе совместного анализа амплитудных характеристик тока цепи индуктора и напряжения на индукторе. При этом для измерения указанных параметров цепи индуктора используются известные измерительные приборы (например, амперметр и вольтметр).
Недостатком такого способа является необходимость периодического отключения нагрева (питания индуктора) в промежутки времени, соответствующие измерению параметров цепи индуктора, что приводит к остыванию изделия, уменьшению точности измерения температуры, ограничению частоты производимых измерений.
Кроме того, недостатком является учёт только электрического сопротивления материала, которое изменяется в зависимости от температуры без учёта изменения относительной магнитной проницаемости, что может негативно влиять на точность измерения температуры.
Кроме того, недостатком  известного способа является отсутствие электрических фильтров между индуктором и выходом полумостового источника напряжения заданной частоты, что выражается в значительном влиянии на параметры цепи индуктора паразитных параметров проводов и элементов источника напряжения, что особенно важно при измерении температуры изделий малой массы.
Наиболее близким аналогом является способ косвенного вихретокового резонансного контроля и измерения температуры ёмкостей для варки, изготовленных из ферромагнитных материалов (US9544947B2, опубл. 10.01.2017. «Temperature measurement in a cooking vessel). Индуктор, применяемый для нагрева изделия, включается в параллельный колебательный контур. По мере изменения температуры контролируемого изделия происходит изменение температурнозависимых параметров материала изделия, а следовательно, электрических параметров цепи индуктора, что приводит к изменению собственной частоты колебательного контура. В случае если индуктор используется как в качестве нагревательного элемента, так и в качестве измерительной катушки, то цепь индуктора с заданной периодичностью попеременно включается в силовую цепь и в параллельный колебательный контур, который в таком случае является частью генератора высокочастотных колебаний, который осуществляет работу на собственной частоте колебательного контура. При этом обеспечивается автоподстройка частоты генератора под собственную частоту колебательного контура, что позволяет установить зависимость между частотой работы генератора и температурой изделия. В случае, если используется измерительная катушка, индуктивно связанная с индуктором, то периодически в силовой цепи отключается питание, что обеспечивает наведение ЭДС в измерительной катушке с собственной частотой колебательного контура (который в данном случае является частью силовой цепи). Тогда измеряется разница между частотой наведённого ЭДС (или индуцированного тока) в измерительной катушке и заранее заданной резонансной частотой колебательного контура, и устанавливается её зависимость от температуры изделия.
Недостатком такого способа является необходимость периодического отключения нагрева (питания индуктора) в промежутки времени, соответствующие измерению параметров цепи индуктора, что приводит к остыванию изделия, уменьшению точности и надежности измерения температуры, ограничению частоты производимых измерений. По мере уменьшения массы изделия и увеличения скорости его охлаждения ошибка измерения увеличивается.
Кроме того, уменьшение массы изделия при сохранении частоты измерения приводит к сужению диапазона, в котором изменяется ряд параметров цепи индуктора, прямо или косвенно зависящих от температуры ферромагнитного изделия (ёмкостей для варки, нагреваемых с помощью индукционной плиты), а увеличение частоты приводит к значительному усложнению процесса измерения требуемых параметров. Оба этих фактора оказывают значительное негативное влияние на точность измерения. Данный способ предназначен для контроля и измерения температуры массивных объектов, т.к. диаметр ёмкостей составлял 105, 210 и 300 мм.
Кроме того, отсутствовали электрические фильтры между индуктором и выходом источника напряжения заданной частоты, что выражалось в значительном влиянии на параметры цепи индуктора паразитных параметров проводов и элементов источника напряжения, что особенно важно при измерении температуры изделий малой массы.
Технический результат - повышение скорости осуществления, точности и  надежности способа косвенного вихретокового резонансного контроля и измерения температуры изделий произвольной массы и размеров из ферромагнитных материалов за счет совместного анализа зависимых от температуры параметров материала изделий непосредственно в процессе их нагрева токами заданной частоты без необходимости отключения питания индуктора.
Заявляется способ косвенного вихретокового резонансного контроля и измерения температуры изделий из ферромагнитных материалов, включающий расположение изделий в переменном магнитном поле индуктора в составе резонансного колебательного контура, подключенного к выходу силового источника, согласно изобретению, измерение осуществляется за счет совместного анализа фазовых и амплитудных характеристик тока цепи индуктора в процессе нагрева изделия токами заданной частоты, при этом подключение силового источника выполняется таким образом, чтобы на резонансной частоте при активном характере импеданса индуктора ток в цепи индуктора переходил через ноль в момент времени О, не совпадающий с моментами коммутации ключей силового источника, далее осуществляют измерение амплитуды сигнала тока цепи индуктора, а также его фазового сдвига относительно сигнала напряжения силового источника с помощью гальванически развязанного датчика тока цепи индуктора, для чего полезный сигнал с этого датчика подвергают аналого-цифровому преобразованию,и проводят пару последовательных измерений с временным сдвигом до и после момента О, при этом моменты аналого-цифрового преобразования синхронизируют с моментами переключения ключей силового источника, далее с помощью линейной интерполяции определяют величину фазового сдвига в момент О и амплитуду сигнала, после чего однократно устанавливают зависимость измеряемой температуры изделия от полученных величин фазового сдвига и амплитуды сигнала, которую используют для определения температуры изделия,
Изобретение поясняется фигурами 1-4.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, обеспечивающего реализацию заявляемого способа косвенного вихретокового резонансного контроля и измерения температуры изделий из ферромагнитных материалов, где
1
2
3
4
ток
QQQQ - управляющие сигналы ключей силового источника, U - измеряемый полезный сигнал, p - сдвиг фазы между левой и правой парами ключей силового источника, a и b - измерения полезного сигнала до и после момента О≡p/2.
Гальванически развязанный датчик тока цепи индуктора в данном примере выполнен в качестве измерительной катушки, представляющей собой вторичную обмотку, которая индуктивно связана с индуктором и электрически изолирована от него.
1
2
1
2
3
4
3
4
Силовой источник в данном примере выполнен в качестве источника напряжения заданной частоты, собранного по схеме полного моста, управление которым осуществляется методом фазового регулирования мощности (PSM) посредством изменения сдвига фазы p между левой и правой парами ключей моста при помощи двух прямых управляющих сигналов Q и Q для верхней пары ключей (S, S) и двух инверсных управляющих сигналов Q и Q для нижней пары ключей (S, S).
1
2
3
4
Общий синхрогенератор задаёт моменты активации аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а также коммутации ключей силового источника (генерации управляющих сигналов). В общем случае генератор управляющих сигналов QQQQ, синхрогенератор и АЦП являются частями одного микроконтроллера;
1
ток
н
р
min
max
1
2
3
н1
н2
min
max
min
max
На фиг. 2 показан пример фазово-частотной характеристики (ФЧХ) сигнала тока I цепи индуктора L (полезного сигнала U), демонстрирующий изменение сдвига фазы ϕ между сигналом тока цепи индуктора и сигналом напряжения силового источника при отклонении резонансной частоты f от рабочей f по мере изменения температуры изделия в рабочем диапазоне температуры от T до T, где T, T, T - промежуточные значения температуры изделия в порядке возрастания в указанном рабочем диапазоне. Где f…f - интервал частот, в котором возможна регистрация изменений сдвига фазы ϕ в диапазоне от ϕ до ϕ, где ϕ принимает предельное значение в -90°, а ϕ принимает предельное значение в +90°;
1
1
2
1
1
3
На фиг. 3 показана принципиальная схема измерительного устройства, обеспечивающая реализацию предлагаемого способа косвенного вихретокового резонансного контроля и измерения температуры изделий из ферромагнитных материалов. В левой части представлена схема силового источника напряжения заданной частоты с подключённым к нему через согласующий элемент параллельным колебательным контуром LC. При этом согласующий элемент может представлять собой катушку индуктивности L, которая включается последовательно с выходом силового источника и параллельным колебательным контуром LC. В правой части представлена схема измерительной цепи, в которую включен гальванически развязанный датчик тока цепи индуктора, который может быть выполнен в качестве измерительной катушки L.
На фиг. 1, 2 ,3 показаны следующие позиции:
1 - изделие из ферромагнитного материала;
2 - индуктор;
3 - параллельный колебательный контур;
4 - согласующий элемент;
5 - катушка индуктивности;
6 - силовой источник напряжения заданной частоты;
7 - измерительная катушка;
8 - сопротивление;
9 - ограничитель уровня сигнала;
10 - операционный усилитель;
11 - первый делитель напряжения;
12 - второй делитель напряжения;
13 - третий делитель напряжения;
14 - аналого-цифровой преобразователь;
15 - измерительная цепь;
16 - генератор управляющих сигналов;
17 - общий синхрогенератор;
18 - микроконтроллер;
19 - гальванически развязанный датчик тока цепи индуктора.
1
2
ток
ток
1
2
1
ток
ток
ток
ток
На фиг. 4 показаны диаграммы: управляющих сигналов Q и Q для верхней пары ключей силового источника напряжения заданной частоты со сдвигом фазы p относительно друг друга, синхронизирующего сигнала K, который отвечает за генерацию управляющих сигналов и за моменты активации АЦП, диаграмма полезного сигнала U на выходе операционного усилителя (ОУ). Показаны два последовательных измерения полезного сигнала U с симметричным сдвигом n от середины (О≡p/2) между фронтами управляющих сигналов Q и Q (измерение a для момента О-n; измерение b для момента О+n) при нулевом сдвиге фазы ϕ между сигналом тока I цепи индуктора L и сигналом напряжения силового источника напряжения заданной частоты. Результатом линейной интерполяции, а в данном примере результатом суммирования симметричных относительно момента О измерений a и b полезного сигнала U будет нуль. O - это момент пересечения полезным сигналом U нуля при активном характере импеданса индуктора. В представленном на фигуре 4 примере производится одно из двух последовательных измерений полезного сигнала U за период тока цепи индуктора 2. Может производиться пара последовательных измерений a и b полезного сигнала U за период тока цепи индуктора 2.
Способ осуществляется следующим образом:
min
max
1
Предварительно определяют диапазон рабочих температур (T…T), в котором будет производиться работа с изделием 1 из ферромагнитного материала. Разрабатывают индуктор 2 (L) требуемой формы и размера, который выступает в роли генератора переменного магнитного поля, в которое помещается изделие 1. Индуктор 2 включают в резонансный колебательный контур, который подключен к выходу силового источника 6, который собирают так, чтобы он обеспечивал необходимую частоту нагрева.
Подключение силового источника 6 к индуктору выполняют таким образом, чтобы на резонансной частоте при активном характере импеданса индуктора 2 ток I в цепи индуктора 2 переходил через ноль в момент О, не совпадающий с моментами коммутации ключей силового источника.
1
1
2
1
1
1
1
2
3
4
1
В данном примере для этого разработан силовой источник напряжения заданной частоты 6, собранный по схеме полного моста. При этом к выходу силового источника 6 через согласующий элемент 4 подключен параллельный колебательный контур 3 (LC). При этом согласующий элемент 4 может представлять собой катушку индуктивности 5 (L), которая включена последовательно с выходом силового источника 6 и параллельным колебательным контуром 3 (LC). Управление силовым источником напряжения заданной частоты 6 осуществляется методом фазового регулирования мощности (PSM). Тогда при активном характере импеданса индуктора ток I цепи индуктора 2 (L) переходит через ноль в момент О, соответствующий половине сдвига фазы p между левой и правой парами ключей силового источника 6. Сдвиг фазы p (в данном примере между прямыми управляющими сигналами Q и Q или инверсными Q и Q) определяет выходное напряжение силового источника 6 и потребляемую индуктором 2 (L) мощность. Управляющие сигналы в общем случае генерируются внутри микроконтроллера 18.
p
н
2
1
1
н
p
Нагрев изделия 1 осуществляется на частоте близкой к собственной частоте резонансного колебательного контура. В данном примере нагрев изделия 1 осуществляют на частоте f близкой к частоте резонанса напряжений f в контуре LC (фиг. 2, 3). По мере изменения температурнозависимых параметров ферромагнитного материала изделия 1 изменяются электрические параметры цепи индуктора 2 (L), происходит отклонение резонансной частоты f от заданной рабочей частоты f. В результате происходит изменение фазовых и амплитудных характеристик тока цепи индуктора 2 так, что момент перехода током I цепи индуктора 2 через ноль сдвигается от момента О.
1
Далее осуществляют измерение амплитуды сигнала тока I цепи индуктора 2, а также его фазового сдвига ϕ относительно сигнала напряжения силового источника 6 с помощью гальванически развязанного датчика тока цепи индуктора 19, для чего полезный сигнал с этого датчика подвергают аналого-цифровому преобразованию. Амплитуда тока I цепи индуктора 2, и соответственно, полезного сигнала, также зависит от потребляемой индуктором 2 (L) мощности.
В данном примере АЦП однополярный.
3
4
2
5
6
7
6
7
1
3
1
В данном примере гальванически развязанный датчик тока цепи индуктора 19 выполнен в качестве измерительной катушки 7, представляющей собой вторичную обмотку, которая индуктивно связана с индуктором 2 и электрически изолирована от него. Выводы измерительной катушки 7 через включённое последовательно сопротивление 8 подключены к ограничителю уровня сигнала 9. Инверсный вход операционного усилителя 10 подключен к средней точке первого делителя напряжения 11 (RR), один выход которого подключен к первому выводу ограничителя уровня сигнала 9, а другой - к выходу операционного усилителя 10. Прямой вход операционного усилителя 10 подключен к средней точке второго делителя напряжения 12 (RR), один выход которого подключен ко второму выводу ограничителя уровня сигнала 9, а другой - к средней точке третьего делителя напряжения 13 (RR). Один выход третьего делителя напряжения 13 (RR) подключен к источнику питания операционного усилителя 10, а другой - заземлён. Выход операционного усилителя 10 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 14. Тогда в результате протекания переменного тока I через индуктор 2 (L)  генерируемое переменное магнитное поле индуцирует в измерительной катушке 7 (L) электродвижущую силу (ЭДС), соответствующую по своим частотным и фазовым характеристикам току I цепи индуктора 2 (L). При этом измерительная цепь 15 вносит в напряжение с измерительной катушки 7 постоянную составляющую, смещая его в положительную область, и усиливает его так, что полученный на выходе измерительной цепи 15 полезный сигнал подвергается аналого-цифровому преобразованию.
Далее проводят пару последовательных измерений с временным сдвигом до и после момента О, при этом моменты аналого-цифрового преобразования синхронизируют с моментами коммутации ключей силового источника.
В данном примере моменты активации АЦП 14 синхронизируются с управляющими сигналами (моментами коммутации ключей силового источника 6), которые формируются генератором управляющих сигналов 16, с помощью общего синхрогенератора 17 так, что не чаще чем раз за период тока I цепи индуктора 2, определяется момент О ≡ p/2. При помощи аналого-цифрового преобразователя 14 производится пара последовательных измерений a и b с временным сдвигом n до и после момента О. После этого из измерений a и b устраняется постоянная составляющая полезного сигнала.
Далее с помощью линейной интерполяции определяют величину фазового сдвига в момент О и амплитуду сигнала.
min
max
1
В данном примере для пары симметричных измерений относительно момента О, применение линейной интерполяции сводится к суммированию измерений a и b. Сумма двух измерений a и b выражается через величину Ω, измеряемую в вольтах. Производится предварительная настройка, в ходе которой подбором номиналов элементов цепи подбирается собственная частота резонансного колебательного контура такая, чтобы изменению температуры изделия во всём рабочем диапазоне от T до T соответствовало некоторое регистрируемое изменение сдвига фазы ϕ между сигналом тока I цепи индуктора 2 (L) и сигналом напряжения силового источника 6 в пределах от -90° до +90°. Определяют температуру изделия 1, при которой работа резонансного колебательного контура будет осуществляться на собственной частоте.
Далее однократно устанавливают зависимость измеряемой температуры изделия 1 от полученных величин фазового сдвига и амплитуды сигнала, которую используют для определения температуры изделия 1.
В данном примере однократно устанавливают зависимость измеряемой температуры изделия 1 из ферромагнитного материала от величины Ω. Измеренная температура изделия 1 из ферромагнитного материала выводится с микроконтроллера 18 на внешний интерфейс.
Пример.
1
1
1
В качестве изделия выступает ферромагнитная трубка массой 1.1 г с толщиной стенки 1 мм, внешний диаметр которой составляет 4 мм, внутренний диаметр 2 мм, а длина 20 мм. В качестве материала трубки выступает сталь 40Х13. Индуктор L, формирующий переменное магнитное поле, в которое помещается трубка, выполнен в виде винтовой многовитковой катушки. Индуктор намотан 20 витками изолированного медного высокочастотного провода (литцендрата) диаметром 0.75 мм в два слоя шахматной намоткой на полое фторопластовое намоточное основание п-образного сечения (открытой частью в бок). Внутренний диаметр индуктора составляет 10 мм, внешний диаметр 12.8 мм, высота 14 мм. Высота намоточного основания составляет 16 мм, внутренний диаметр 8 мм, толщина стенки по профилю 2 мм. Сопротивление и индуктивность цепи индуктора измерялась путем ее включения в цепь переменного напряжения с частотой 100 кГц близкой к предполагаемой частоте нагрева. Измерение производилось при помощи RLC-метра. Сопротивление участка цепи индуктора L без трубки составило 0.13 Ом, а с трубкой 1.11 Ом. Индуктивность цепи индуктора L без трубки 6.4 мкГн, а с трубкой 7.8 мкГн.
1
1
1
1
2
2
1
1
1
2
3
4
1
2
1
1
2
2
1
Индуктор L включается в параллельный колебательный контур LC, при этом ёмкость конденсатора C составляет 450 нФ. Параллельный колебательный контур подключается к выходу силового источника напряжения заданной частоты (инвертору напряжения) через согласующий элемент, в качестве которого выступает катушка индуктивности L, номинал которой составляет 9.62 мкГн. Катушка индуктивности L включается последовательно с параллельным колебательным контуром LC и выходом инвертора напряжения. Инвертор напряжения собран по схеме полного моста, а в качестве четырех силовых ключей моста выступают полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП-транзисторы). Управление МОП-транзисторами осуществляется при помощи двух прямых управляющих сигналов Q и Q для верхней пары транзисторов и двух инверсных сигналов Q и Q для нижней пары транзисторов. Управление полным мостом, т.е. регулирование напряжения на выходе инвертора осуществляется методом фазового регулирования мощности (PSM) за счёт сдвига фазы p между парами транзисторов левого и правого плеча моста в диапазоне от 0 до 180 °. В приводимом примере задаётся сдвиг фазы p между управляющими сигналами Q и Q для пары верхних транзисторов. При активном характере импеданса индуктора L с трубкой применение метода управления PSM обеспечивает положение точки О перехода током I цепи индуктора через ноль посередине между фронтами прямых управляющих сигналов Q и Q, т.е. в момент соответствующий половине сдвига фазы p между этими управляющими сигналами. Активный характер импеданса индуктора в данном примере обеспечивается при резонансе напряжений в последовательном колебательном контуре LC.
р
н
2
1
Частота работы f инвертора напряжения в данном примере составляет 115 кГц, а частота резонанса напряжений f в контуре LC составляет 116.2 кГц.
При нагреве трубки происходит изменение удельного электрического сопротивления и относительной магнитной проницаемости ферромагнитного материала трубки. Зависимость магнитной восприимчивости  от температуры для ферромагнитных материалов описывается законом Кюри-Вейсса:
,
к
где С - постоянная Кюри-Вейсса, T - текущая температура материала, Т - температура Кюри ферромагнитного материала, которая для стали 40Х13 примерно равна 900 °С.
Магнитная восприимчивость  связана с относительной магнитной проницаемостью  следующим образом:
.
Зависимость удельного электрического сопротивления материала проводника от температуры выражается следующим уравнением:
,
где  - удельное электрическое сопротивление проводника при нуле градусов,  - удельное электрическое сопротивление проводника при температуре T,  - температурный коэффициент сопротивления материала проводника.
1
В результате изменения параметров материала трубки происходит изменение электрических параметров цепи индуктора L, аналогично тому, как они менялись в ходе измерения электрических параметров данной цепи при помощи RLC-метра при наличии и при отсутствии трубки в переменном магнитном поле индуктора.
Активное сопротивление R участка цепи рассчитывается следующим образом:
,
р
где  - длина проводника, S - площадь сечения проводника, через которую протекает ток. При этом активное сопротивление цепи зависит от частоты f, т.е. глубины протекания (скин-эффект) переменного тока в объеме трубки, витков индуктора и соединительных проводов. Для переменного тока приблизительно:
1
где  - глубина скин-слоя, r - радиус проводника,  - магнитная постоянная. Зависимость индуктивности индуктора L от относительной магнитной проницаемости для индуктора (винтовой намотки) выражается следующим образом:
,
1
1
где N - количество витков индуктора, S - площадь поперечного сечения индуктора, l - высота индуктора.
1
1
2
1
н
2
1
р
н
2
1
р
1
н
р
Изменение электрических параметров цепи индуктора приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура LC, а также и контура LC. Отклонение резонансной частоты f последовательного контура LC от рабочей частоты f инвертора напряжения приводит к изменению сдвига фазы ϕ между сигналом тока I цепи индуктора и сигналом напряжения инвертора. Например, если изначально или в результате изменения температуры трубки резонансная частота f последовательного контура LC приняла значение равное рабочей частоте f и импеданс индуктора L принял активный характер, то дальнейший нагрев или охлаждение приведёт к отклонению f от f и изменению характера импеданса, изменению сдвига фазы ϕ, что в свою очередь приведёт к смещению момента перехода нуля током I цепи индуктора от момента О. Величина данного отклонения, таким образом, характеризует изменение температуры изделия, в данном случае, трубки.
т
1
1
н
2
1
Резонансная частота f параллельного колебательного контура LC, а также резонансная частота f последовательного контура LC определяются следующим образом:
1
1
3
Для анализа фазовых и амплитудных характеристик тока цепи индуктора L к первичной обмотке, в качестве которой выступает собственно индуктор, добавляется электрически изолированная от неё измерительная катушка в качестве вторичной обмотки (гальванически развязанный датчик тока цепи индуктора L), согласно схеме представленной на фиг. 1. Измерительная катушка L выполнена поверх индуктора винтовой шахматной намоткой из 20 витков медного провода диаметром 0.35 мм в два слоя.
1
3
3
1
1
2
3
1
2
1
3
1
2
3
1
1
2
ток
В результате протекания переменного тока через первичную обмотку L, генерируемое переменное магнитное поле индуцирует во вторичной обмотке L электродвижущую силу (ЭДС). Выводы измерительной катушки L подключаются через включённое последовательно сопротивление R величиной 10 кОм к ограничителю уровня сигнала, который собран в данном случае на диодах Шоттки D и D. Благодаря активному характеру последовательной цепи LDDR, индуцированная ЭДС в катушке L и ток, протекающий по данной цепи, синфазны и, следовательно, напряжение на диодном ограничителе DD синфазно с напряжением на катушке L. Таким образом, сдвиг фазы ϕ между сигналом напряжения инвертора и сигналом тока I индуктора L равен сдвигу фазы между сигналом напряжения инвертора и напряжением на диодном ограничителе DD (полезный сигнал U). Амплитуда полезного сигнала ограничивается сверху и снизу в соответствии с величиной падения напряжения равной 0.7 В на диодах Шоттки.
1
ток
н
р
2
н
p
На фигуре 2 показана фазово-частотная характеристика сигнала тока I цепи индуктора L (полезного сигнала U), демонстрирующая изменение сдвига фазы ϕ при отклонении резонансной частоты f от рабочей f по мере изменения температуры изделия (трубки в данном примере) в рабочем диапазоне температуры, который ограничен температурой Кюри материала трубки, т.е. примерно 900 °С. Температура Т, при которой резонансная частота f равна рабочей f примерно равна 450 °С. Тогда для всего рабочего диапазона температур трубки интервал частот, в котором осуществляется регистрация изменений сдвига фазы ϕ (где ϕ изменяется практически линейно) составляет ±3500 Гц, а линейный участок ФЧХ лежит в диапазоне от -30° до +30°. Изменение индуктивности в процессе нагрева трубки от комнатной температуры примерно равной 20 °С до температуры Кюри составляет примерно 0.2 мкГн, т.е. от 7.8 до 8 мкГн.
Измерительная цепь также включает в себя операционный усилитель, выход которого подключен к АЦП микроконтроллера, и задающие резисторы. Схема измерительной цепи и инвертора напряжения представлена на фиг. 3.
4
3
4
3
5
2
6
7
5
2
6
7
ток
В данном примере делитель напряжения RR, формирующий отрицательную обратную связь, обеспечивает коэффициент усиления схемы на операционном усилителе в 200, т.е. отношение R к R равно двумстам (аналогично R к R). Номиналы резисторов делителя напряжения R и R составляют по 50 кОм. Тогда делители напряжения RR и RR обеспечивают постоянное напряжение смещения на прямом входе операционного усилителя. Питание операционного усилителя V1 составляет 3.3 В и поступает с платы микроконтроллера. Подобная схема измерительной цепи обеспечивает значительное усиление и смещение полезного сигнала U в положительную область для измерения при помощи АЦП микроконтроллера. Измерительная цепь позволяет регистрировать изменения полезного сигнала на входе операционного усилителя в диапазоне от -0.00825 до 0.00825 В. Питание V0 инвертора напряжения составляет 24 В.
ток
1
2
Полезный сигнал U подвергается аналого-цифровому преобразованию, при этом моменты активации АЦП синхронизируются с управляющими сигналами Q и Q верхних транзисторов (моментами коммутации транзисторов) инвертора напряжения с помощью общего синхрогенератора согласно схеме на фиг. 1.
Синхронизация генератора управляющих сигналов для транзисторов и АЦП происходит внутри микроконтроллера, частями которого они являются, и работа которого осуществляется с помощью одного высокоточного генератора электромагнитных колебаний с фиксированной частотой на основе кварцевого резонатора (общий синхрогенератор). Разрядность АЦП в данном примере составляет 12 бит, а тактовая частота процессора микроконтроллера 72 МГц. Диапазону полезного сигнала, смещённого в положительную область, от 0 до 0.0165 В на входе операционного усилителя и от 0 до 3.3 В на его выходе, соответствуют 4096 уровней квантования.
p
1
2
н
1
В данном примере каждый период тока I цепи индуктора (f=115 кГц) определяется середина О между фронтами прямых управляющих сигналов Q и Q, после чего производится измерение полезного сигнала посредством АЦП поочередно со сдвигом n влево (измерение a) относительно середины О и со сдвигом n вправо (измерение b), что показано на фигуре 4. После чего из полученной пары значений a и b вычитается половина максимальной амплитуды полезного сигнала (2048), т.е. происходит устранение постоянной составляющей сигнала.  В том случае если осуществлялась работа на резонансной частоте f, пара измеренных значений полезного сигнала до пересечения нуля (измерение а в момент О-n) и после пересечения нуля (измерение b в момент О+n) равны по модулю и противоположны по знаку. Тогда сумма двух этих измерений равна нулю, что соответствует нулевому сдвигу фазы ϕ между сигналом тока I цепи индуктора L и сигналом напряжения инвертора.
ток
1
2
1
1
1
Сумма двух измеренных значений сигнала отличная от нуля будет соответствовать величине отклонения момента перехода полезным сигналом U через ноль от середины О между фронтами сигналов Q и Q, а следовательно, сдвигу фазы ϕ между сигналом тока I цепи индуктора L и сигналом напряжения инвертора. Абсолютные значения полученной суммы пары измерений характеризуют амплитуду полезного сигнала и тока I цепи индуктора L, а следовательно, потребляемую индуктором мощность. Таким образом, будет получена информация об изменении фазовых и амплитудных характеристик тока I цепи индуктора L в зависимости от температуры трубки и потребляемой индуктором мощности так, что устанавливается зависимость температуры изделия от фазовых и амплитудных характеристик тока цепи индуктора.
Затраты времени на измерение составляют 10 мкс для разрешения преобразования АЦП 12 бит, что соответствует температурному разрешению в 8 °С.
Результаты экспериментов демонстрируют точность измерения температуры трубки массой 1.1 г разработанным методом ±5 °С непосредственно в процессе её нагрева токами высокой частоты. Калибровка температурных показаний, полученных при помощи разработанного метода, производилась в ходе нескольких последовательных экспериментов с помощью контрольного оборудования, состоящего из двухканального измерителя температуры с термопарами К и J типа. Поверка результатов измерения осуществлялась при помощи эталонного измерителя на платиновых резисторах.
Таблица 1 - Значения параметра Ω для различной температуры трубки Т и потребляемой индуктором мощности
T, °С
Потребляемая индуктором мощность, %
0.2
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
20
17,874
17,589
15,887
14,351
14,746
14,185
13,377
14,019
13,257
13,823
13,309
30
24,475
23,999
22,509
20,713
19,793
18,506
17,475
16,446
15,422
14,420
14,808
40
33,213
31,777
28,665
26,731
24,451
23,919
22,324
21,672
19,811
18,541
16,842
50
41,519
38,714
36,355
33,417
31,655
28,893
26,908
24,230
22,851
22,229
20,721
60
48,196
44,652
40,261
37,047
35,130
32,906
31,361
29,171
27,658
25,475
23,210
70
56,963
51,975
48,665
45,716
42,823
39,409
36,632
33,066
30,388
27,566
24,931
80
65,132
59,383
54,221
50,777
47,112
42,989
40,636
37,850
34,648
32,830
31,189
90
73,829
67,640
61,580
56,230
50,625
45,829
41,346
37,230
34,614
31,919
30,638
100
80,390
72,853
66,201
61,282
56,774
52,465
47,655
44,835
41,745
38,008
35,666
110
89,941
82,904
75,061
67,778
61,187
55,423
50,190
45,613
42,582
38,680
36,564
120
96,171
87,965
79,936
73,614
68,055
63,241
58,340
53,186
49,036
45,325
42,255
130
104,181
94,335
85,990
78,916
72,021
66,337
60,231
55,868
51,462
47,165
42,617
140
110,123
100,959
91,907
83,937
76,282
69,166
62,542
58,024
53,279
48,172
45,221
150
116,871
106,569
96,747
87,248
79,558
72,552
67,231
61,887
55,879
51,920
47,294
160
125,010
114,309
103,626
93,897
84,984
76,736
69,638
64,276
57,853
52,464
47,736
170
145,541
131,038
118,664
108,037
97,361
88,239
79,539
71,682
65,134
59,883
55,622
180
148,972
134,485
121,373
110,770
101,177
92,651
83,890
77,395
69,770
64,727
59,538
190
158,112
143,343
129,344
117,636
106,177
96,664
88,302
81,196
73,647
66,435
59,951
200
160,807
146,085
132,075
120,534
110,361
100,000
91,213
83,837
77,431
70,269
63,756
210
168,757
152,744
138,444
126,490
114,599
103,918
94,407
85,145
77,258
69,724
63,027
220
176,411
160,563
144,900
132,005
119,468
108,097
98,135
89,162
80,463
74,083
67,018
230
184,799
166,671
151,890
138,409
126,226
114,705
104,774
94,628
86,326
77,711
70,686
240
193,496
175,373
158,789
144,672
130,384
117,663
107,410
98,605
89,065
80,514
74,374
250
201,338
182,350
164,128
148,223
134,770
121,514
111,145
100,406
90,852
82,702
74,946
260
208,401
188,721
170,344
153,835
139,754
126,181
113,870
104,463
96,011
87,442
80,292
270
217,730
197,160
179,153
162,343
146,392
132,456
120,182
109,065
100,052
91,199
83,619
280
224,110
202,550
183,963
166,497
150,032
135,634
123,493
111,643
101,163
92,965
83,904
290
232,148
210,849
190,875
173,364
156,643
141,628
127,625
115,072
103,972
94,584
86,406
300
241,605
219,250
197,472
178,785
162,550
147,599
133,121
121,076
109,787
99,407
89,712
310
248,962
224,413
203,247
184,811
166,576
150,385
135,772
122,514
110,759
99,973
90,647
320
256,909
231,864
209,128
188,322
171,009
155,103
141,131
127,811
115,280
104,705
94,466
330
265,547
240,758
218,456
197,332
179,424
163,214
147,430
134,445
121,004
110,314
100,289
340
272,632
246,898
223,666
202,280
183,048
166,198
151,043
136,307
124,012
113,323
103,497
350
281,330
254,330
229,050
206,249
186,604
169,681
153,595
139,785
127,651
116,058
105,984
360
288,530
259,930
235,523
213,873
192,919
173,916
157,245
142,391
128,918
116,437
105,841
370
296,249
267,438
241,653
217,834
197,661
179,090
162,840
146,792
133,547
120,942
109,857
380
305,706
275,450
248,000
224,843
203,147
184,087
165,818
150,352
137,070
123,861
112,014
390
313,258
282,323
254,785
230,519
207,865
187,737
170,631
154,818
141,088
127,607
115,819
400
320,250
290,096
262,432
237,476
215,201
194,398
175,385
157,850
143,068
130,504
118,888
410
328,857
296,822
268,353
241,584
219,151
197,872
179,151
162,020
146,114
132,257
119,199
420
336,449
303,756
273,761
246,721
223,913
202,767
183,142
165,370
148,979
135,418
123,637
430
345,074
311,216
280,745
254,350
230,135
207,689
187,015
169,235
153,292
138,890
126,831
440
353,730
320,331
288,880
261,394
235,255
213,300
193,008
174,632
158,074
143,652
129,291
450
361,165
325,538
294,113
265,302
240,279
216,855
196,391
177,242
161,081
146,330
132,495
460
369,514
333,378
300,465
271,653
246,248
222,250
201,775
181,630
165,357
150,591
137,055
470
376,461
340,791
307,159
277,882
251,232
226,715
204,700
186,145
167,661
151,510
137,194
480
384,732
347,480
313,962
284,331
256,421
232,680
210,004
190,882
173,297
156,409
142,412
490
392,703
354,707
319,832
289,256
261,737
237,327
215,482
195,591
176,908
161,004
146,676
500
400,357
361,487
326,571
294,688
266,553
241,475
217,638
196,642
177,560
161,406
146,668
510
409,411
369,449
333,439
301,267
272,872
247,006
223,401
201,169
182,097
165,742
149,715
520
416,595
375,649
340,041
307,144
278,324
250,789
226,301
203,945
184,982
168,051
151,988
530
424,224
382,153
345,595
311,386
281,036
253,021
229,468
207,453
188,038
170,424
153,973
540
432,870
390,156
351,865
317,853
286,669
258,269
233,674
210,790
190,105
172,489
155,999
550
441,791
398,340
360,245
324,474
292,720
264,762
240,148
217,226
196,795
178,788
162,460
560
448,512
404,273
363,912
329,334
296,672
267,930
241,368
217,632
196,705
178,144
161,547
570
456,082
410,944
370,222
333,763
301,413
272,976
247,250
222,827
202,449
182,768
166,462
580
465,564
420,312
379,793
342,087
308,503
279,051
251,951
227,351
205,030
186,357
167,881
590
473,624
426,399
385,075
347,027
314,228
284,723
256,748
232,565
210,273
190,618
172,546
600
480,759
434,166
392,300
355,048
320,965
290,571
261,539
237,067
214,928
193,939
176,543
610
488,617
440,886
397,525
359,551
325,258
293,524
264,954
239,939
216,284
195,526
177,923
620
496,795
447,840
403,705
365,093
328,767
296,104
267,693
241,648
219,253
197,770
178,524
630
504,460
454,092
409,043
368,528
332,916
301,606
272,375
246,571
223,385
202,062
181,982
640
512,896
462,901
417,545
376,418
339,441
305,892
276,230
249,664
226,241
204,367
184,998
650
520,456
468,674
422,619
382,104
345,769
311,952
281,324
254,472
230,811
208,503
188,713
660
529,109
477,942
431,664
389,034
351,215
317,689
286,873
259,187
234,080
212,399
192,405
670
536,440
482,797
436,061
393,862
354,964
320,838
289,255
260,578
235,256
212,125
192,018
680
544,210
491,473
444,121
400,075
360,400
325,826
294,832
266,658
240,931
218,687
197,444
690
553,979
499,908
450,681
407,259
367,109
331,184
298,214
269,609
244,641
221,307
200,141
700
561,003
506,054
456,580
411,957
372,155
336,460
304,695
275,814
248,729
224,411
203,678
710
568,029
511,770
461,457
415,537
375,968
338,552
306,497
277,419
251,055
226,149
204,722
720
577,760
520,112
469,741
424,688
383,194
346,453
313,537
283,807
257,057
232,482
210,868
730
584,147
527,120
476,036
430,425
388,026
349,334
315,769
284,326
256,286
231,008
209,872
740
593,842
534,816
482,468
435,915
394,087
355,963
321,521
290,887
263,333
238,554
215,863
750
601,359
542,548
489,101
441,598
398,134
359,011
324,254
292,113
264,814
238,522
215,064