СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
EDDY CURRENT CONTROL METHOD AND DEVICE TO THIS END

Изобретения относятся к контрольно-измерительной технике, а именно к способам и устройствам электрических измерений неэлектрических величин, и могут быть использованы в промышленности для контроля перемещений и вибрации электропроводящих объектов.
Известен способ вихретокового контроля (см. книгу: «Физические и физико-химические методы контроля состава и свойств веществ. Метод вихревых токов". Н.Н.Шумиловский и др. М.-Л.: Энергия, 1966, с 123-132), заключающийся в том, что используют вихретоковый преобразователь 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, в качестве информативного параметра используют изменение средневыпрямленного напряжения затухающих колебаний.
Известно устройство, (см. книгу: «Физические и физико-химические методы контроля состава и свойств вещества. Метод вихревых токов". / Н.Н.Шумиловский и др. - М-Л; Энергия 1966, - с 123-132), содержащее коммутирующий элемент, соединенный первым входом с шиной питания, а выходом - с входом вихретокового преобразователя, выход которого соединен с входом пикового детектора и с входом детектора средневыпрямленного значения. Выход пикового детектора соединен с первым входом мостовой схемы, первый и второй выходы которой подключены к индикатору информативного параметра. Второй вход коммутирующего элемента соединен с выходом мультивибратора, вход которого соединен с выходом задающего генератора.
Недостатком способа является его низкая чувствительность, так как выделение информативного параметра осуществляется путем измерения средневыпрямленного значения затухающего колебания, что предполагает усреднение составляющих с высокой и низкой информативностью. Недостатком устройства является низкое быстродействие контроля, обусловленное относительно большой постоянной времени детектора средневыпрямленного значения, необходимой для сглаживания пульсаций, вызванных выпрямленным гармоническим сигналом с экспоненциальной огибающей. Данный недостаток не позволяет использовать устройство для вибродиагностики или в качестве датчика оборотов и фазы.
Известен способ вихретокового контроля (см. патент RU 2185617 от 07.02.2000, МКИ G01 №27/90, «Способ вихретокового контроля и устройство для его осуществления» / А.В.Клюшев. Опубл. 20.07.2002), который является наиболее близким по технической сущности и взят в качестве прототипа. Способ заключается в том, что используют вихретоковый преобразователь 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, в качестве источника питания используют источник стабильного постоянного тока, который подключают к параллельному колебательному контуру и отключают его 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.
Известно устройство, которое является наиболее близким по технической сущности и взято в качестве прототипа (см. патент РФ 2185617 от 07.02.2000, МКИ G01 №27/90 «Способ вихретокового контроля и устройство для его осуществления» / А.В.Клюшев, опублик. 20.07.2002), содержащее коммутирующий элемент, выход которого соединен с входом вихретокового преобразователя, выход которого соединен с входом пикового детектора, задающий генератор, синхронизатор, преобразователь синусоиды в меандр, источник стабильного постоянного тока, выход которого соединен с первым входом первого коммутирующего элемента, и последовательно соединенные второй коммутирующий элемент, обнуляемый пиковый детектор, элемент выборки хранения, выход которого является выходом устройства, а второй вход соединен с вторым выходом синхронизатора, вход которого соединен с выходом задающего генератора, а первый выход соединен со вторыми входами первого коммутирующего элемента, обнуляемого пикового детектора и селектора, выход которого соединен со вторым входом коммутирующего элемента, вход которого соединен с выходом вихретокового преобразователя и с входом преобразователя синусоиды в меандр.
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.
max
Недостатком устройства являются его низкая точность и чувствительность, обусловленные тем, что пиковым детектором измеряется амплитуда только одной полуволны затухающего звона контура. Амплитуда этой полуволны мала, а точность измерения пиковым детектором на высоких частотах невелика из-за нестабильностей амплитуд сигналов и длительностей синхроимпульсов. Для получения достаточной чувствительности возникает необходимость увеличения амплитуды сигнала и, соответственно, использования достаточно мощного источника тока, возбуждающего контур. Действительно, амплитуда первой полуволны колебаний контура U равна:
где I - ток импульса, L и С - индуктивность и емкость контура.
Значительные по величине скачки тока контура 1 приводят к дополнительным низкочастотным переходным процессам в цепях питания, которые накладываются на основные колебания контура и приводят к интерференционным наводкам, снижая точность измерений. Измерение только по одному полупериоду сигнала приводит к значительному усложнению аппаратной реализации способа. Другим недостатком является дополнительная температурная нестабильность измерений, вызванная наличием в приемной цепи коммутирующих элементов, имеющих заметную температурную зависимость переходного сопротивления в открытом состоянии.
Решаемой технической задачей является создание способа и устройства для вихретокового контроля физико-механических параметров электропроводящих объектов с повышенной чувствительностью и точностью, уменьшенной потребляемой электрической мощностью и более простой реализацией схемы.
Эта задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом: способ вихретокового контроля, основанный на использовании вихретокового преобразователя в виде параллельного колебательного контура, который устанавливают в зоне контроля, периодически подключают к источнику стабильного постоянного тока и отключают от него для формирования в колебательном контуре собственных затухающих колебаний, по величине затухания судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта, и отличительных от прототипа новых существенных признаков: для измерения величины затухания переходного процесса, возникающего в колебательном контуре после каждого отключения его от источника стабильного постоянного тока, производят однополупериодное детектирование, фильтрацию, интегрирование всех четных полуволн сигнала переходного процесса, запоминание и линеаризацию проинтегрированного сигнала.
Устройство для осуществления способа вихретокового контроля содержит коммутирующий элемент, выход которого соединен с входом вихретокового преобразователя, задающий генератор видеоимпульсов, источник стабильного постоянного тока, выход которого соединен с первым входом коммутирующего элемента, и узел выборки-хранения, новым является то, что дополнительно введены замыкатель, элемент задержки, формирователь импульсов, усилитель согласующий, однополупериодный детектор, первый фильтр нижних частот, обнуляемый интегратор, второй фильтр нижних частот, узел линеаризации и формирователь выходного напряжения, при этом выход задающего генератора видеоимпульсов соединен с входом замыкателя, со вторым входом коммутирующего элемента и входом элемента задержки, выход которого соединен с входом формирователя импульсов, а выход формирователя импульсов - со вторым входом узла выборки-хранения, второй вход обнуляемого интегратора соединен с первым выходом замыкателя, второй выход которого соединен с третьим входом обнуляемого интегратора, последовательно соединены вихретоковый преобразователь, усилитель согласующий, однополупериодный детектор, первый фильтр нижних частот, обнуляемый интегратор, второй фильтр нижних частот, узел выборки-хранения, узел линеаризации и формирователь выходного напряжения, выход которого является выходом устройства.
Ниже раскрывается наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым результатом.
Во-первых, впервые предложены способ и устройство вихретокового контроля, основанные на таком методе регистрации сигнала.
Во-вторых, применение такого способа и устройства позволяет повысить временную стабильность и чувствительность измерений за счет выделения огибающей (демодуляции) и интегрирования сигнала.
В-третьих, применение такого способа и устройства позволяет повысить энергетическую экономичность измерений, так как измерения производятся после окончания короткого видеоимпульса, а величину тока в импульсе устанавливают малой вследствие большой амплитуды сигнала после демодуляции и интегрирования. Это позволяет также обеспечить искро- и взрывобезопасность устройства.
В-четвертых, способ и устройство не требуют создания коротких специальных импульсов выборки-хранения и привязки их положения к амплитуде конкретной полуволны, что позволяет упростить аппаратную реализацию способа.
Таким образом, новая совокупность всех существенных признаков в заявляемых способе и устройстве обеспечивает достижение следующего результата: повышение чувствительности, точности, уменьшение потребляемой мощности и упрощение аппаратной реализации.
На фиг.1 показана схема измерений, использование которой позволяет реализовать предлагаемые нами способ и устройство.
На фиг.2 приведены эпюры выходных напряжений узлов устройства при разных расстояниях (столбцы А и Б) от вихретокового преобразователя до контролируемого объекта, иллюстрирующие принцип выделения информативного параметра.
На фиг.3 приведена зависимость выходного напряжения устройства от величины зазора между вихретоковым преобразователем и стальным диском, полученная при применении предложенных способа и устройства.
Способ осуществляется следующим образом. Вихретоковый преобразователь, представляющий собой параллельный резонансный контур, подключают при помощи коммутирующего элемента к источнику стабильного постоянного тока, т.е. подают прямоугольный импульс тока (фиг.2а), фронт и спад которого вызывают в контуре переходные процессы в виде двух спадающих по экспоненте радиоимпульсов (фиг.2б). Постоянная затухания радиоимпульсов определяется суммарными потерями в контуре и потерями на вихревые токи в материале образца. Затухающие колебания описываются выражением:
max
U- амплитуда первой полуволны, t - время,
- резонансная частота контура,
0
α=R/2L, R - полное сопротивление потерь, L - индуктивность вихретокового преобразователя, С - емкость контура. Если α/ω<<1, то
При контроле перемещения изменение расстояния от вихретокового преобразователя до контролируемого объекта приводит к изменению R и L, а следовательно, в соответствии с (2) и (3) к изменению времени затухания радиоимпульса. На фиг.2б показаны колебания с разными коэффициентами затухания, причем в столбце А показаны эпюры для больших расстояний до объекта измерения, а в столбце В - для маленьких расстояний. Затухающие радиоимпульсы детектируют (фиг.2в) однополупериодным детектором.
3
3
раз.
min
min
Продетектированные полуволны фильтруют, причем постоянную заряда t фильтра выбирают так, чтобы t<<Т, где Т - период колебаний, а постоянная разряда фильтра находится в следующем соотношении Т≤t<T, где T - минимальное время спада радиоимпульса, соответствующее минимальному расстоянию до объекта. Фильтрация сигнала позволяет выделить огибающую входного сигнала и значительно увеличить площадь под кривой (фиг.2г) и, следовательно, амплитуду выходного сигнала после интегрирования. Во время действия видеоимпульсов интегрирование сигнала не производят (фиг.2д), т.к. вследствие паразитных переходных процессов в элементах коммутации и цепях питания наблюдаются сильные коммутационные наводки, снижающие точность измерения. После выключения видеоимпульса проводят интегрирование только четных полуволн демодулированного сигнала (фиг.2д) аналоговым или цифровым способом. Интегрирование четных полуволн позволяет, с одной стороны, устранить влияние переходных процессов в элементах коммутации на результаты измерения, эти переходные процессы затухают до нуля за время длительности первой полуволны, с другой стороны, исключение из измерений 1-й полуволны позволяет повысить точность преобразования, так как амплитуда первой полуволны определяется только величиной тока и волновым сопротивлением контура и не зависит от потерь. После затухания спадающего по экспоненте радиоимпульса до нуля на выходе интегратора устанавливается постоянное по величине напряжение, которое измеряют при помощи узла выборки-хранения (фиг.2е, ж), линеаризуют и подают на выход. По величине выходного сигнала определяют степень активных потерь в материале объекта, а следовательно - расстояние до объекта, степень чистоты поверхности и др. На фиг.2 в столбцах А и В представлены сигналы для двух различных расстояний до объекта. При включении следующего видеоимпульса интегратор обнуляют, затем цикл измерений повторяют. На фигуре 3 показана зависимость выходного напряжения устройства от расстояния до объекта измерения с линеаризованным коэффициентом преобразования К=1 В/мм в диапазоне расстояний 0,3-2,7 мм.
Устройство для осуществления способа содержит (см. фиг.1) коммутирующий элемент 2, выход которого соединен с входом вихретокового преобразователя 3, задающий генератор видеоимпульсов 7, источник стабильного постоянного тока 1, выход которого соединен с первым входом коммутирующего элемента 2, узел выборки - хранения 11, замыкатель 8, элемент задержки 13, формирователь импульсов 14, усилитель согласующий 4, однополупериодный детектор 5, первый фильтр нижних частот 6, обнуляемый интегратор 9, второй фильтр нижних частот 10, узел линеаризации 12 и формирователь выходного напряжения 15, при этом выход задающего генератора видеоимпульсов 7 соединен с входом замыкателя 8, со вторым входом коммутирующего элемента 2 и входом элемента задержки 13, выход которого соединен с входом формирователя импульсов 14, а выход формирователя импульсов 14 - со вторым входом узла выборки-хранения 11, второй вход обнуляемого интегратора 9 соединен с первым выходом замыкателя 8, второй выход которого соединен с третьим входом обнуляемого интегратора 9, последовательно соединены вихретоковый преобразователь 3, усилитель согласующий 4, однополупериодный детектор 5, первый фильтр нижних частот 6, обнуляемый интегратор 9, второй фильтр нижних частот 10, узел выборки-хранения 11, узел линеаризации 12 и формирователь выходного напряжения 15, выход которого является выходом устройства.
Все примененные узлы и элементы широко описаны в технической литературе и могут быть реализованы как на аналоговых, так и на цифровых элементах. В качестве источника тока 1 может быть использован источник CR200 фирмы Temic semiconductor, коммутирующий элемент 2 и замыкатель 8 могут быть реализованы на микросхеме TS4053BF фирмы Toshiba. Задающий генератор 7 может быть выполнен по схемам, приведенным в справочнике В.Л Шило. «Популярные цифровые микросхемы». М.: Радио и связь, 1987 г., с 217. Вихретоковый преобразователь 3 состоит из катушки индуктивности, намотанной на торце шпильки, соединительного кабеля и емкости, которые образуют стандартный колебательный контур. Усилитель согласующий 4, фильтры нижних частот 6 и 10 и однополупериодный детектор 5 могут быть реализованы по стандартным схемам на операционных усилителях, приведенных в монографии И. Достала «Операционные усилители». М.: Мир, 1982, с.188, 191, 196. Обнуляемый интегратор 9 может быть реализован по схеме Миллера или по схеме неинвертирующего интегратора с отрицательным сопротивлением, приведенным в книге И. Достала «Операционные усилители». М.: Мир, 1982, с.190, 199. Узел выборки - хранения 11 может быть выполнен по схеме типового включения на микросхеме К1100СК4, элемент задержки 13 может быть выполнен на основе интегрирующей цепочки и формирователя импульсов, приведенных в книге B.C.Гутникова «Интегральная электроника в измерительных устройствах». Л.: Энергия, 1980, с.229, узел линеаризации 12 может быть выполнен на базе умножителей AD633 фирмы Analog Devices no стандартной схеме. Схема формирователя выходного напряжения 15 выбирается в зависимости от требуемого формата выходного сигнала.
Другой вариант выполнения схемы может быть реализован на цифровых микроконтроллерах, которые могут быть запрограммированы для реализации ряда схем: задающего генератора 7, обнуляемого интегратора 9, фильтров нижних частот 6 и 10, элемента задержки 13, формирователя импульсов 14, узла выборки-хранения 11, узла линеаризации 12, формирователя выходного напряжения 15.
1
Работа устройства поясняется эпюрами, приведенными на фиг.2. Устройство работает следующим образом. Импульсы (фиг.2а) с задающего генератора видеоимпульсов 2 поступают на вход элемента задержки 13, на второй вход коммутирующего элемента 2, который подключает источник стабильного постоянного тока 1 к вихретоковому преобразователю 3, и на вход замыкателя 8, который закорачивает на время длительности импульса емкость обнуляемого интегратора 9 (фиг.2д) и приводит его в начальное состояние. После воздействия на контур вихретокового преобразователя 3 переднего и заднего фронтов импульса тока наблюдаются переходные процессы (звон контура) в виде затухающих по экспоненте синусоидальных сигналов (фиг.2б). Эти высокочастотные сигналы усиливаются согласующим усилителем 4, полуволны сигнала детектируются (фиг.2в) однополупериодным детектором 5, с выхода детектора 5 передаются на вход первого фильтра нижних частот 6, имеющего разные времена заряда и разряда, а полученная огибающая высокочастотного сигнала (фиг.2г) поступает на первый вход обнуляемого интегратора 9. Во время воздействия переходного процесса, возникающего после фронта импульса, обнуляемый интегратор 9 находится в начальном состоянии, так как его интегрирующий конденсатор находится в замкнутом состоянии, и напряжение на его выходе равно нулю. После отключения видеоимпульса во время воздействия переходного процесса, возникающего после заднего среза импульса, замыкатель размыкает конденсатор интегратора, обнуляемый интегратор 9 переходит в рабочий режим и интегрирует входной сигнал (фиг.2д). При этом переходные процессы, возникшие в элементах коммутации, за время длительности первой полуволны успевают затухнуть до уровня шума и не интегрируются. Выходное напряжение с обнуляемого интегратора 9 поступает на вход второго фильтра нижних частот 10, который служит для ослабления паразитных высокочастотных составляющих сигнала, просочившихся через интегратор 9. Сигнал с выхода второго фильтра нижних частот 10 подается на первый вход узла выборки - хранения 11, на второй вход которого поступает задержанный на время звона контура tэлементом задержки 13 и образованный формирователем импульсов 14 видеоимпульс (фиг.2е), разрешающий включение режима выборки-хранения после окончания времени звона контура вихретокового преобразователя 3 и достижения выходным напряжением обнуляемого интегратора 9 постоянного уровня (фиг.2д). В практических схемах запоминание выходного напряжения производится через 20-40 микросекунд после окончания видеоимпульса. Напряжение, снимаемое с узла выборки-хранения 11, подается на вход узла линеаризации 12, который преобразует это напряжение в пропорциональное расстоянию от торца датчика до электропроводящей поверхности объекта. Линеаризованный сигнал подается на вход формирователя выходного напряжения 15, с выхода которого получают сигнал (фиг.2ж), соответствующий требуемому формату.
2
В целях подтверждения осуществимости заявленных способа и устройства и достигнутого технического результата изготовлен и испытан опытный образец, выполненный в соответствии со структурной схемой, изображенной на фиг.1. Использовался вихретоковый преобразователь, выполненный в виде шпильки, на торце которой намотана многовитковая катушка, имеющая внешний диаметр 8 мм, сечение 0,8 мм, индуктивность 30 мкГн, собственное активное сопротивление 2,3 Ом. Параллельно индуктивности катушки включена емкость 1500 пФ. Для возбуждения колебания в контуре использован источник тока величиной 2 мА. Линеаризация проведена для расстояний 0,3…2,7 мм до стального диска, выполненного из стали марки 40х. На фиг.3 приведена зависимость выходного напряжения устройства, выполненного с использованием цифровых микроконтроллеров, от величины зазора между вихретоковым преобразователем и стальным диском, полученная при применении предложенных способа и устройства.
Проведенные испытания показали осуществимость заявленных способа и устройства вихретокового контроля, подтвердили его преимущества и практическую ценность.
Способ вихретокового контроля может применяться для измерения величины осевого смещения и радиальной вибрации валов роторных машин, обнаружения поверхностных дефектов электропроводящих объектов, измерения толщины диэлектрических покрытий на электропроводном основании, определения состава вещества объекта, оценки толщины металлизации на диэлектрическом основании, измерения линейных и угловых перемещений объектов, в качестве датчика наличия проводящего объекта, датчика оборотов и фазы, как бесконтактный выключатель.