ВИХРЕТОКОВЫЙ ТОЛЩИНОМЕР
VORTEX CURRENT CALLIPER

Изобретение относится к устройствам измерения толщины стенки трубок и может быть использовано как средство неразрушающего контроля при массовом производстве, в частности в процессе производства тепловыделяющих элементов атомных реакторов.
Известны устройства измерения толщины стенок трубок при внешнем доступе датчиков к местам измерения, основанным на применении ультразвука, например, толщиномер «Булат 2» [1]. Основным недостатком, затрудняющим применение подобных устройств при контроле толщины стенок в процессе массового производства, является необходимость обеспечения хорошего ультразвукового контакта датчика с изделием. Как правило, используются смазки в виде геля.
В качестве прототипа выбран вихретоковый толщиномер [2], состоящий из автогенератора, двух вихретоковых преобразователей, имеющих возбуждающие и измерительные обмотки, подключенные к двум измерительным цепям, при этом одна из цепей создает опорный сигнал, а вторая является измерителем. Имеется также устройство сравнения, названное «вычитателем».
Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения из-за того, что опорный и измерительный сигналы приходят не одновременно, а последовательно друг за другом, пройдя через селективный усилитель, амплитудный детектор и логарифмический усилитель.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого устройства, заключается в увеличении точности измерения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в вихретоковом толщиномере, включающем в себя автогенератор, два вихретоковых преобразователя в виде двух цилиндрических катушек, дифференциальный трансформатор, как устройство сравнения, выход автогенератора подсоединен к каскадно включенным ключам, управляемым парафазным сигналом от автогенератора, к ключам подсоединены две параллельно включенные идентичные катушки одинаковой индуктивности L, последовательно каждой катушке включены идентичные конденсаторы такой емкости С, чтобы собственная частота индуктивно-емкостных цепей совпадала с частотой автогенератора, обе параллельные цепи LC подключены к дифференциальному трансформатору тока, а внутрь катушек вставлены, как сердечники, трубки из одинакового материала, одна из которых образцовая, имеет известную толщину стенки, а вторая является объектом измерения, причем частота автогенератора такова, что обеспечивает глубину проникновения электромагнитной волны в материал трубок не менее толщины стенки, оптимально, глубина проникновения должна быть больше толщины стенки в 1,5-2,5 раза.
Совокупность указанных существенных признаков необходима и достаточна для достижения указанного технического результата, так как в предлагаемом устройстве из-за того, что индуктивные сопротивления катушек компенсированы емкостными сопротивлениями, замеряемые токи пропорциональны активным сопротивлениям участков стенок трубок. Кроме того, упомянутые токи взаимно вычитаются, благодаря чему с высокой точностью можно судить, насколько толщина стенки измеряемой трубки отличается от образцовой, при этом технически не сложно обеспечить равенство температур у измеряемой трубки и образцовой.
Схема предлагаемого устройства показана на фиг.1. Устройство включает в себя автогенератор 1, управляемые ключи 2, катушки 3, образцовую трубку 4, измеряемую трубку 5, конденсаторы 6, дифференциальный трансформатор тока 7 и устройство измерения сигнала 8.
Работа устройства происходит следующим образом.
Автогенератор 1 подает на управляемые ключи 2 напряжение частоты
инд
где L- индуктивность «нагруженного» индуктора, т.е. катушка со вставленной в нее трубкой;
С - емкость конденсатора
Благодаря этому, через катушки протекают токи с формой, близкой к синусоиде.
Частота f выбирается из условия
a
h=(1,5-2,5),
a
где  - толщина стенки трубки; h - глубина проникновения электромагнитной волны в материал.
Глубина h равна
где ρ - удельное сопротивление материала трубки,
0
µ, µ - соответственно, абсолютная и относительная магнитная проницаемость.
Токи через катушки равны
n
где U- напряжение, подаваемое на ключи;
инд0
инд и
R, R - приведенные к индукторам активные сопротивления.
Ранее было показано [3], что приведенное к индуктору активное сопротивление
где R - сопротивление участка трубки длиной l (l - примерно на 10% больше ширины катушки);
М - взаимоиндукция участка трубки и катушки;
L - индуктивность участка трубки длиной l.
Разность токов, получаемая на выходе дифференциального трансформатора 7, равна:
n
инд 0
инд и
ΔI=0,5U*(1/R-1/R).
2
Если обозначить 0,5(M/L)=k, то
n
o
ΔI=0,5(U/k)*(1/R-1/R).
Путем преобразований получаем:
a
0
здесь  - толщина стенки образцовой трубки;
a
- толщина стенки измеряемой трубки;
n
D - внешний диаметр образцовой трубки.
n
a
Из (1) видно, что разность токов практически пропорциональна разности толщин стенок трубок, если внешний диаметр образцовой трубки D значительно больше толщины стенки измеряемой трубки .
В качестве конкретного результата работы предлагаемого устройства на фиг.2 приведен график зависимости толщины стенки измеряемой трубки от напряжения сигнала измерительного устройства 8 для трубок из циркония. Толщина стенки трубки изменялась за счет проточки наружного диаметра. При этом начальный диаметр трубки и диаметры трубок после проточки измерялись с помощью «Оптиметра вертикального ИВК» с ценой деления 0,001 мм. Полученная точность измерения
+/- 1 мкм. Время измерения составляет несколько секунд.
На основании изложенного можно заключить, что реализация предлагаемого устройства измерения толщины стенки трубки обеспечивает указанный технический результат, а именно повышение точности измерения.
Сопоставительный анализ с прототипом и другими известными устройствами измерения толщины стенок трубки показал, что заявляемое устройство не имеет идентичных по совокупности признаков и соответствует критерию изобретения о новизне. Экспериментально доказано, что совокупность признаков достаточна для решения научно-технической задачи в рамках поставленной цели.
Литература
1. «Толщиномер Булат 2», ООО «Энергоавтоматика», mol@pop.transit.ru
2. В.В.Клюев, Ю.К.Федосенко, В.А.Коровяков и В.О.Арбузов. Авторское свидетельство СССР №1087768, кл. G01B 7/06 23.04.84, бюл. №15 от 23.04.84.
3. С.В.Кривоносов. Патент на изобретение №2198384, РФ, бюл. №4 от 10.02.03.