ВИХРЕТОКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
VORTEX-CURRENT DISPLACEMENT TRANSDUCER

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах, применяемых для бесконтактного измерения перемещений, вибраций и биений валов и объектов, работающих в широком диапазоне температур.
Известно устройство (индуктивно-вихретоковый датчик с температурной самокомпенсацией), содержащее идентичные измерительную и компенсационную катушки индуктивности, расположенные соосно в корпусе датчика, между катушками по их вертикальной оси размещена вакуумированная ампула, частично заполненная токопроводящей жидкостью [1].
Недостатками данного устройства являются низкие функциональные
возможности и сложность устройства датчика, содержащего вакуумированную ампулу, частично заполненную токопроводящей жидкостью, что не позволяет работать в условиях вращений, вибраций, ускорений и широком диапазоне отрицательных и положительных температур.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является устройство, содержащее керамический каркас, заключенный в экранирующий корпус преобразователя, идентичные по размерам и намоточным характеристикам измерительную и компенсационную катушки индуктивности, намотанные в пазах каркаса и включенные дифференциально, а также содержащее первую и вторую экранирующие пластины из электропроводящего материала, катушки индуктивности, выполненные в форме плоских полуколец, размещенные в единой плоскости торца корпуса и обращенные друг к другу диаметрами, при этом направление намотки витков катушек противоположно в плане, первая экранирующая пластина выполнена шириной и длиной, равными внутреннему диаметру и высоте полости корпуса преобразователя соответственно, и размещена между катушками вдоль продольной оси каркаса наружным торцом заподлицо с торцом корпуса, вторая пластина выполнена в виде полудиска, габариты контура которого совпадают с габаритами контура полукольцевой катушки, при этом вторая пластина выполнена толщиной, одинаковой с толщиной объекта контроля, из материала, одинакового по электрофизическим свойствам с материалом объекта контроля, и размещена своей плоскостью над плоскостью компенсационной катушки с ее стороны, обращенной внутрь каркаса, с зазором постоянной величины, равным номинальному зазору между измерительной катушкой и объектом контроля [2].
Недостатками известного устройства являются: низкие точность и чувствительность, узкий диапазон измерения, обусловленные близким расположением с катушками электропроводящих элементов конструкции преобразователя, в которых так же, как и в объекте контроля наводятся вихревые токи, что в целом приводит к снижению диапазона, точности и чувствительности измерения; невозможность измерения осевых перемещений, биений валов и объектов, имеющих размеры больше половины диаметра корпуса преобразователя, так как исследуемый объект контроля должен находиться только перед чувствительной зоной измерительной катушки (то есть объект должен находиться только на половине диаметра корпуса преобразователя, для чего рекомендуется на корпусе наносить маркерную метку, например, краской, обозначающую точную ориентацию преобразователя только измерительной катушкой над объектом), что резко ограничивает область его применения; невозможность измерения перемещений и биений крупногабаритных валов и объектов, так как вторая пластина преобразователя должна быть выполнена толщиной, одинаковой с толщиной объекта контроля, что при заданных массогабаритных показателях датчика не всегда представляется возможным; нелинейная, экспоненциальная функция преобразования перемещения, что приводит к зависимости чувствительности от значения перемещения; большая температурная погрешность измерения перемещений, связанная с зависимостью электропроводности как электропроводящего материала объекта контроля, так и электропроводящего материала катушки (провода) от температуры, что особенно проявляется при измерениях в широком диапазоне рабочих температур.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, расширение диапазона измерения, повышение чувствительности и точности измерения в широком диапазоне рабочих температур.
Поставленная цель достигается тем, что в вихретоковый преобразователь перемещений, содержащий керамический каркас, заключенный в корпус преобразователя, экранирующую пластину из электропроводящего материала, одинакового по электрофизическим свойствам с материалом объекта контроля, идентичные по размерам и намоточным характеристикам измерительную и компенсационную катушки индуктивности, намотанные в пазах каркаса и включенные дифференциально, причем направление намотки витков катушек противоположно в плане, при этом габариты контура экранирующей пластины совпадают с габаритами контура катушек, а компенсационная катушка и экранирующая пластина выполнены с зазором постоянной величины, равным номинальному измеряемому перемещению (зазору) между измерительной катушкой и объектом контроля, согласно предлагаемому изобретению введена экранирующая пластина, выполненая в виде диска, с толщиной Z, обусловленной глубиной проникновения электромагнитной волны на рабочей частоте для материала объекта контроля [3], определяемой математическим выражением
<mrow><mi>Z</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mn>2</mn><mi>w</mi></mfrac><mo>−</mo><mi>μ</mi><mo>⋅</mo><mi>γ</mi></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>
где ω - рабочая частота питания переменного тока преобразователя;
µ - абсолютная магнитная проницаемость материала;
γ - удельная электропроводность материала;
и размещена своей плоскостью над плоскостью компенсационной катушки в противоположную сторону от измерительной катушки, причем измерительная и компенсационная катушки выполнены в форме плоского кольца, с максимальным диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса преобразователя, выполненного из керамического материала, при этом измерительная катушка размещена на керамическом каркасе в плоскости торца внутри корпуса, а компенсационная катушка выполнена на этом же каркасе идентично и соосно с измерительной катушкой на расстоянии между ними, равном не менее максимального диаметра катушек.
Соответствующее пространственное расположение с определенным зазором измерительной и компенсационной катушек относительно экранирующей пластины обеспечивают наведение от измерительной катушки вихревых токов только в объекте контроля, и увеличение диаметра измерительной катушки при заданном диаметре корпуса преобразователя приводит к расширению диапазона измерения, повышению чувствительности и точности измерения в широком диапазоне рабочих температур.
Для повышения точности измерения, расширения диапазона измерения и уменьшения температурных погрешностей в предлагаемом устройстве введена вторая идентичная измерительная катушка, комплексное сопротивление которой, под воздействием входной измеряемой величины, в данном случае перемещения, изменяется противофазно. При перемещении в одном направлении у первой измерительной катушки комплексное сопротивление возрастает, а у второй измерительной катушки комплексное сопротивление уменьшается в соответствии с той же функциональной зависимостью. Соответствующим включением измерительных катушек в дифференциальную измерительную цепь с противофазным питанием синусоидальным напряжением и путем алгебраического суммирования (вычитания) противофазных токов измерительной и второй измерительной катушки, например на входе операционного усилителя, устраняют влияние на выходной сигнал начальных, постоянных, не информативных значений комплексных сопротивлений измерительных катушек. Это позволяет линеаризировать функцию преобразования и снизить температурную погрешность путем устранения влияния начального, постоянного, не информативного значения комплексного сопротивления измерительной катушки.
Общими признаками прототипа и заявляемого устройства являются керамический каркас, заключенный в корпус преобразователя, экранирующая пластина, выполненная из материала одинакового по электрофизическим свойствам материалу объекта контроля, идентичные по размерам и намоточным характеристикам измерительная и компенсационная катушки индуктивности, намотанные в пазах каркаса и включенные дифференциально, причем направление намотки витков катушек противоположно в плане, при этом габариты контура экранирующей пластины совпадают с габаритами контура катушек, а компенсационная катушка и экранирующая пластина выполнена с зазором постоянной величины, равным номинальному измеряемому перемещению (зазору) между измерительной катушкой и объектом контроля.
Отличительными признаками устройства является то, что измерительная и компенсационная катушки выполнены в форме плоского кольца с максимальным диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса преобразователя, выполненного из керамического материала, при этом измерительная катушка размещена на керамическом каркасе в плоскости торца внутри корпуса, а компенсационная катушка выполнена на этом же каркасе идентично и соосно с измерительной катушкой на расстоянии между ними, равном не менее максимального диаметра катушек, при этом экранирующая пластина выполнена в виде диска, с толщиной Z, обусловленной глубиной проникновения электромагнитной волны на рабочей частоте для данного материала объекта контроля, определяемой математическим выражением
<mrow><mi>Z</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mn>2</mn><mi>w</mi></mfrac><mo>−</mo><mi>μ</mi><mo>⋅</mo><mi>γ</mi></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>
где w - рабочая частота питания переменного тока преобразователя;
µ - абсолютная магнитная проницаемость материала;
γ - удельная электропроводность материала;
и размещена своей плоскостью над плоскостью компенсационной катушки в противоположную сторону от измерительной катушки.
Другие технические решения со сходными отличительными признаками в патентной и научно-технической литературе не обнаружены, следовательно, предлагаемое устройство обладает существенными отличиями.
На фиг.1 представлена конструкция предлагаемого вихретокового преобразователя перемещений.
На фиг.2 приведена эквивалентная схема замещения вихретокового преобразователя перемещений.
вн
1
1
вн
2
m
н
2
m
Вихретоковый преобразователь перемещений для бесконтактного измерения перемещений, вибраций и биений электропроводящего объекта контроля 1 содержит керамический корпус преобразователя 2, измерительную 3 и компенсационную 4 катушки индуктивности, намотанные в пазах керамического каркаса 5, находящегося внутри корпуса преобразователя 2. Катушки 3 и 4 идентичны по размерам и намоточным характеристикам и включены дифференциально. Измерительная 3 и компенсационная 4 катушки выполнены в форме плоского кольца с максимальным диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса преобразователя 2 d, при этом измерительная катушка 3 размещена на керамическом каркасе 5 в плоскости торца внутри корпуса преобразователя 2. Компенсационная катушка 4 выполнена на этом же каркасе 5 идентично и соосно с измерительной катушкой 3 на расстоянии l между ними, равном не менее максимального диаметра катушек 3, 4, l≥d. Экранирующая пластина 6 выполнена в виде диска, габариты контура которой совпадают с габаритами контура катушек 3, 4, из материала, одинакового по электрофизическим свойствам материалу объекта контроля l, с толщиной Z, обусловленной глубиной проникновения электромагнитной волны на рабочей частоте для материала объекта контроля l, определяемой математическим выражением, и размещена своей плоскостью над плоскостью компенсационной катушки 4 в противоположную сторону от измерительной катушки 3 с зазором постоянной величины l, равным номинальному измеряемому перемещению X (зазору δ с учетом толщины торца корпуса 2) между измерительной катушкой 3 и объектом контроля 1 l=X.
Работа предлагаемого устройства основана на взаимодействии размеров и свойств объекта контроля 1 и экранирующей пластины 6 с электрическими параметрами измерительной 3 и компенсационной 4 катушек.
Вихретоковый преобразователь перемещений работает следующим образом. Под действием входной измеряемой величины (перемещения) происходит изменение значений, наводимых измерительной катушкой 3, вихревых токов в объекте контроля 1. Это приводит к изменению создаваемого вихревыми токами встречного основному магнитного потока, следовательно, и к изменению индуктивности измерительной катушки 3, и к изменению активного сопротивления измерительной катушки 3 от перемещения, и, в общем, к изменению комплексного сопротивления измерительной катушки 3 [1]. Таким образом, используя известную экспоненциальную зависимость [1]: или изменения индуктивности измерительной катушки 3; или изменения активного сопротивления измерительной катушки 3; или изменения модуля комплексного сопротивления измерительной катушки 3 от перемещения можно измерять перемещения, вибрации, биения, ускорения и скорость исследуемого объекта контроля 1.
Эквивалентная схема замещения вихретокового преобразователя перемещений (фиг.2) содержит элементы, параметры которых не зависят от входной измеряемой величины и при преобразовании вторичным электронным преобразователем должны быть скомпенсированы, и элементы, параметры которых зависят от перемещения и должны быть инвариантно (не зависимо от других, неинформативных) преобразованы в выходной сигнал.
x
x
x
При протекании переменного электрического синусоидального тока I через измерительную катушку 3 с комплексным сопротивлением Z, основной магнитный поток, создаваемый этим электрическим током, будет наводить во всех электропроводящих объектах, которые пронизывает этот магнитный поток, вихревые токи. При протекании этих токов во всех электропроводящих объектах создается магнитный поток, встречный основному магнитному потоку и уменьшающий его. Так как электропроводность материала и ее зависимость от температуры объектов, которые пронизывает магнитный поток, различны, то для уменьшения температурной погрешности вихретоковых преобразователей необходимо устранить с пути протекания магнитного потока все электропроводящие объекты кроме объекта контроля 1, перемещение которого измеряется, что обеспечивается в предлагаемом устройстве соответствующим пространственным расположением и взаимодействием элементов конструкции. При перемещении электропроводящего объекта контроля 1 относительно измерительной катушки 3 в зависимости от расстояния между ними изменяется величина магнитного потока, пронизывающего электропроводящий объект контроля 1, и следовательно, изменяется величина суммарных вихревых токов в объекте контроля 1 и создаваемого ими встречного магнитного потока, что приводит к изменению потокосцепления измерительной катушки 3, ее активного сопротивления за счет вносимых потерь, индуктивности и, в общем, значения ее комплексного сопротивления Z.
x
H
H
oб
внх
внх
Модель измерительной катушки 3 вихретокового преобразователя перемещений с полным комплексным сопротивлением измерительной катушки Z представлена в виде эквивалентной схемы замещения (фиг.2), состоящей из параллельного соединения последовательного соединения индуктивности L, создающей магнитный поток при номинальном измеряемом перемещении X, и сопротивления обмотки измерительной катушки 3 R и последовательного соединения вносимой индуктивности L и вносимого сопротивления R, зависящих от перемещения. Представленная модель измерительной катушки 3 позволяет более полно и целенаправленно рассмотреть вопросы последующего построения электронного преобразователя с преобразованием (измерением) только информативных параметров эквивалентной схемы замещения вихретокового преобразователя и компенсацией не информативных параметров эквивалентной схемы замещения измерительной катушки 3 вихретокового преобразователя и тем самым улучшить точность преобразования (измерения) перемещения объекта контроля 1.
внх
внх
H
oб
H
oб
внх
внх
внх
внх
H
об
x
и
внх
внх
H
H
об
к
H
H
oб
Особенность такого представления схемы замещения заключается в том, что в ней выделены две параллельных цепи: одна цепь содержит информативные элементы L и R, а вторая цепь содержит не информативные элементы L и R. Не информативными элементами являются индуктивность намагничивания L и сопротивление обмотки измерительной катушки 3 R, по которым протекает ток намагничивания, и значения которых не изменяются при изменении перемещения во всем рабочем диапазоне, а информативными параметрами являются вносимая индуктивность L и вносимое сопротивление R, значения которых изменяются при изменении перемещения, и вследствие этого происходит изменение протекающего по этой цепи тока. Задачей последующего вторичного электронного преобразователя является преобразование (измерение) только информативных параметров L и R представленной схемы замещения вихретокового преобразователя и устранение влияния на результат измерения перемещения (компенсация) постоянных, не информативных параметров L и R путем выделения из общего тока измерительной катушки I двух токов: одного информативного I, протекающего по цепи с элементами L и R и затем измеряемого с помощью вторичного преобразователя, а второго не информативного I, протекающего по цепи с элементами L и R и затем компенсируемого идентичным током I, протекающим по компенсационной катушке 4. При питании измерительной катушки 3 от источника напряжения ток намагничивания I, протекающий по ветви с элементами L и R, при изменении перемещения Х не изменяется, что обеспечивает постоянство магнитного потока, создающего вихревые токи в объекте контроля 1, во всем рабочем диапазоне перемещений. При дифференциальном включении катушек 3, 4, в измерительную цепь и питании катушек 3, 4, противофазным синусоидальным напряжением токи, протекающие по катушкам 3, 4, в измерительной цепи, например с использованием операционного усилителя вычитаются, и полученная разность токов ΔI, измеряемая вторичным электронным преобразователем пропорциональна измеряемому перемещению X.
Техническим результатом заявленного изобретения является расширение функциональных возможностей, расширения диапазона измерения, повышение чувствительности и точности измерения в широком диапазоне рабочих температур.
Использованные источники
1. А.С. №681365, G01N 27/86, Индуктивно-вихретоковый датчик с температурной самокомпенсацией, опубл. 25.08.1979. БИ №31.
2. Патент RU 2298178, G01N 27/90, Вихретоковый преобразователь перемещений, опубл. 27.04.2007.
3. Е.С.Левшина, П.В.Новицкий, Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Л.: Энергоатомиздат 1983, 320 с.