Устройство для измерения удельной электрической проводимости

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована в авиационной, машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности для контроля качества электропроводящих изделий, а также расплавов цветных металлов по величине удельной электрической проводимости.
Известен вихретоковый измеритель (см. патент РФ №2384839, опубл. 20.03.2010), содержащий вихретоковый трансформаторный преобразователь с ферритовым сердечником и измерительной и компенсационной обмотками возбуждения, расположенный в общем корпусе со всеми элементами вихретокового измерителя, генератор возбуждения вихретокового трансформаторного преобразователя, фазовый детектор, контроллер, снабженный интерфейсом, первый и второй усилители.
Известен накладной вихретоковый преобразователь (см. патент РФ №2183830, опубл. 20.06.2002), с соосно расположенными обмоткой возбуждения и двумя встречновключенными измерительными обмотками разного диаметра с установленным соосно с обмотками ферритовым стерженем. Измерительные обмотки располагают в одной плоскости и эквивалентный диаметр наружной измерительной обмотки выбирают равным от 0,3 до 0,5 ширины графитового кольца технологического канала ядерного реактора типа РБМК. Эквивалентный диаметр внутренней измерительной обмотки выбирают равным не более 0,5 значения эквивалентного диаметра наружной измерительной обмотки и внутреннюю измерительную обмотку изготавливают с числом витков от 0,9 до 1,1 числа витков наружной измерительной обмотки.
Известен вихретоковый накладной преобразователь для неразрушающего контроля (см. а.с. СССР №1118909, опубл. 15.10.1984), содержащий индукторную катушку, одну пару или большее число соединенных последовательно-синфазно пар индикаторных катушек, а в каждой из пар катушки расположены симметрично и равноудаленно относительно оси индукторной катушки и соединены последовательно-встречно, и цилиндрический концентратор из электропроводящего материала, выполненный в виде стержня с расположенными на наружной поверхности пазами фигурного сечения по числу индикаторных катушек, индикаторные катушки находятся в пазах, а индукторная катушка охватывает стержень.
Общими для всех вышеперечисленных устройств недостатками являются:
1. отсутствие термокомпенсации - показания датчиков будут зависеть от температуры образца;
2. невозможность измерения электрической проводимости жидких металлов и сплавов.
Наиболее близким известным аналогом к предлагаемой полезной модели, выбранным за прототип, является устройство для измерения удельной электрической проводимости (см. патент РФ на полезную модель №66819, опубл. 27.09.2007), содержащее последовательно соединенные автогенератор, накладной вихретоковый преобразователь, выполненный в виде обмоток прямоугольной формы, с отношением сторон прямоугольника не менее 10:1, блок обработки сигнала преобразователя и индикатор.
Однако ему также присущи указанные выше недостатки.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение надежности измерений и расширение области применения устройства для измерения удельной электрической проводимости жидких металлов и сплавов за счет добавления термокомпенсации и тигля.
Для достижения этого результата предлагается устройство для измерения удельной электрической проводимости, содержащее вихретоковый преобразователь охватывающего типа, состоящий из трех коаксиально расположенных катушек: генерирующей, измерительной и компенсирующей, выполненных на едином каркасе из жаропрочного, электрически непроводящего материала, тигель для анализируемого металла и термопару, с возможностью подключения к генератору, цифровым измерительным вольтметрам и амперметру, соединенным с блоком обработки сигнала преобразователя.
Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что вихретоковый преобразователь охватывающего типа состоит из трех коаксиально расположенных катушек: генерирующей, измерительной и компенсирующей, выполненных на едином каркасе из жаропрочного, электрически непроводящего материала, а устройство дополнительно содержит тигель для анализируемого металла и термопару, с возможностью подключения к генератору, цифровым измерительным вольтметрам и амперметру, соединенным с блоком обработки сигнала преобразователя.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг. 1, где приведена общая схема установки, включающей устройство для измерения удельной электрической проводимости и фиг. 2, где представлены фото его общего вида и 3D-модель устройства в разрезе.
Устройство для измерения удельной электрической проводимости включает в себя вихретоковый преобразователь, состоящий их трех коаксиально расположенных катушек - генерирующей 1, измерительной 2 и компенсирующей 3, тигель 5 для анализируемого металла 4, термопару 6 для измерения температуры металла.
Устройство выполнено с возможностью подключения к генератору 11, цифровым измерительным вольтметрам 7 и 8 и амперметру 9, соединенным с блоком обработки сигнала преобразователя 10.
Генератор 11 питает генерирующую катушку 1 синусоидальным током заданной силы и частоты. Управление генератором 11 осуществляется посредством блока обработки сигнала преобразователя 10 с использованием обратной связи. Блок обработки 10 снабжен индикатором для индикации значения электропроводности образца (на рисунке не показан).
Генерирующая, измерительная и компенсирующая катушки выполнены на едином каркасе из жаропрочного, электрически непроводящего материала. Каркас с такими свойствами позволяет проводить измерения металлов и сплавов в жидкой фазе с высокой температурой плавления - он защищает катушки от перегрева и не деформируется под действием тепла. За счет того, что он является непроводящим, исключается возможность электрического замыкания на него проводов катушек. Возможные материалы каркаса - стеклотекстолит, керамика и др.
Устройство для измерения удельной электрической проводимости работает следующим образом.
Суммарный магнитный поток генерирующей катушки 1 и вихревых токов, возникающих в анализируемом металле 4, измеряется посредством измерительной катушки 2, в которой генерируется ЭДС согласно закону электромагнитной индукции Фарадея и измеряется цифровым вольтметром 7. В отнесенной на заданное расстояние компенсирующей катушке 3 наводится ЭДС, определяемая магнитным потоком генерирующей катушки 1, и измеряется цифровым вольтметром 8. За счет рассеяния энергии магнитного поля вихревых токов, наличие анализируемого металла 4 не оказывает влияния на ЭДС компенсирующей катушки 3.
Выходной сигнал датчика представляет собой разность действующих значений ЭДС на измерительной 1 и компенсирующей 2 катушках при заданных: силе тока (измеряется цифровым амперметром 9), частоте тока на генерирующей катушке 1 (фиксируется с помощью генератора 11), и температуре (измеряется термопарой 6). Удельная электрическая проводимость образца 4 определяется по предварительно рассчитанной таблице эталонных значений, исходя из разности ЭДС, температуры, силы и частоты тока.
Для получения таблицы эталонных значений разницы наводимых ЭДС в зависимости от электропроводности сердечника измерительной системы была построена математическая модель датчика. Электромагнитный расчет выполнялся методом конечных элементов в пакете COMSOL Multiphysics. Так как исследование проводится на низкой частоте, возможно перейти к магнитостатической задаче в постановке векторного магнитного потенциала в частотной области, полученной из уравнений Максвелла. Расчет проводился в двухмерной осесимметричной формулировке, для оптимизации расчетной процедуры. Магнитное поле создавалось при помощи синусоидального тока в возбуждающей катушке. Максимальное расхождение экспериментальных значений и данных численной модели не превышает 1%, что позволяет использовать математическое моделирование для получения эталонных зависимостей ε(f) в широком диапазоне электропроводностей.
На фиг. 3 представлена полученная из расчета калибровочная поверхность датчика для восстановления электропроводности образца по измеренным значениям ЭДС. Эта поверхность является универсальной для всех однотипно выполняемых датчиков и должна быть рассчитана лишь единожды.
Для контроля степени химической чистоты образцов из сплавов заданного состава необходимы калибровочные кривые, уникальные для каждого типа сплава. На фиг. 4 приведена калибровочная кривая для оловянно-свинцового сплава. Кривая позволяет восстанавливать степень химической чистоты сплава по данным электромагнитных измерений.