КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ ПЕРВИЧНОГО ВИХРЕТОКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО КОНТРОЛИРУЕМОГО ОБЪЕКТА
INDUCTOR COIL OF PRIMARY EDDY-CURRENT DISPLACEMENT TRANSDUCER OF ELECTRICALLY CONDUCTIVE CONTROLLED OBJECT

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области создания средств бесконтактных измерений различных параметров, в том числе, перемещений и зазоров между катушкой первичного измерительного преобразователя перемещений и электропроводящим контролируемым объектом.
Для указанных условий широко используются вихретоковые первичные преобразователи (ВТПП), в том числе ВТПП перемещения. По существу ВТПП представляет собой катушку индуктивности, характеристики которой в основном определяются особенностями применяемой обмотки [B.C. Соболев, Ю.М. Шкарлет. Накладные и экранные датчики (для контроля методом вихревых токов). Изд-во «Наука» Сибирское отделение. Новосибирск, 1967 г.]. С целью миниатюризации и повторяемости характеристик ВТПП катушку индуктивности выполняют способом фотолитографии в виде круговой спирали на основе тонкого диэлектрического материала с двусторонним проводящим покрытием, например, фольговым. [Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник в 2-х книгах. Кн. 2/под ред. В.В. Клюева - 2ое изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1986, стр. 126-127]. Чувствительность параметрического ВТПП напрямую зависит от значения начальной индуктивности катушки при отсутствии вблизи нее проводящих объектов. То есть, чем больше начальная индуктивность катушки, тем больше, при прочих равных условиях, приращение вносимых параметров: индуктивности и активного сопротивления на единицу приращения зазора (перемещения) между катушкой индуктивности и электропроводящим контролируемым объектом. [B.C. Соболев, Ю.М. Шкарлет. Накладные и экранные датчики (для контроля методом вихревых токов). Изд-во «Наука» Сибирское отделение. Новосибирск, 1967 г., стр. 36-37]. Известно, что индуктивность плоской круговой катушки пропорциональна квадрату количества витков и ее среднему диаметру [Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. - 3-е изд. перераб. и доп.Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние. 1986, стр. 253]. Поэтому увеличение индуктивности спиральной круговой дисковой катушки можно достичь увеличением диаметра и (или) количества витков. При ограничении размеров диаметра катушки по условиям применения, например, при измерении перемещений внутри механизмов, ограничивающих увеличение диаметра катушки, с целью увеличения числа витков катушку выполняют многослойной, например, по технологии многослойных печатных плат на основе тонких двусторонних фольгированных диэлектриков.
Из области техники известна катушка индуктивности первичного измерительного преобразователя для измерения зазоров и перемещений [Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник в 2-х книгах. Кн. 2 / под ред. В.В. Клюева – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1986., стр. 127, рис. 59], содержащая спиральные печатные обмотки, выполненные на обеих сторонах гибкой диэлектрической подложки и наклеенные на диэлектрический немагнитный каркас катушки.
Недостатком данного устройства является то, что катушка индуктивности указанного преобразователя из-за отсутствия магнитопровода обладает относительно низким значением индуктивности и, как следствие, низкой чувствительностью и малым диапазоном измерения.
Также известны дисковые восьмеркообразные катушки индуктивности [Карпов В.М. Функции преобразования параметров вихретоковых преобразователей перемещений // Наука и образование. - 2010 - №10 - с. 1-35, URL: htpp:/technomag.edu.ru/doc/161450.htmil]. B данном источнике известности на стр. 18 и 33 указано, что неэкранированные круговые и восьмеркообразные катушки в ближней, средней и дальней зоне ведут себя по-разному. Так, восьмеркообразная катушка в ближней зоне имеет более высокую чувствительность и линейность, а в средней и дальней зоне преимущество имеет катушка с круговой топологией. Что также подтверждает известный первичный измерительный преобразователь для измерения зазоров и перемещений, описанный в способе измерения нестационарных перемещений электропроводящих объектов [RU №2 561 792, МПК G01B 7/14, опубл. 10.09.2015 бюл. №25]. В состав известного преобразователя входят две тонкие дисковые катушки индуктивности, выполненные каждая восьмеркообразной, установленные соосно и смещенные одна относительно другой на нормированное эквивалентное расстояние вдоль оси, проходящей по нормали через центр дисковой катушки к контролируемому объекту. Оси симметрии восьмеркообразных катушек взаимно перпендикулярны, что важно для снижения электромагнитной связи между первой и второй катушками до уровня, обеспечивающего практическую независимость сигналов каждой из них друг от друга.
Однако недостатком данного устройства является то, что восьмеркообразная катушка формирует электромагнитное поле таким образом, что только в ближней зоне к электропроводящему контролируемому объекту статическая характеристика преобразования обладает высокой чувствительностью и линейностью. В средней и дальней зоне такая катушка предопределяет сниженную чувствительность и линейность статической характеристики преобразования, а это приводит к уменьшению диапазона и увеличению погрешности измерений.
Известна многослойная печатная катушка [статья Chi Kwan Lee and S.Y. Ron Hui "Printed Spiral Winding Inductor With Wide Frequency Bandwidth", IEEE TRANSACTIONS ON POWEER ELECTRONICS, Vol. 26, NO 10, October 2011, p. 2939, fig. 6 (а)], которая содержит несколько слоев в виде печатных дисков, каждый из которых выполнен с обмотками по спиральной круговой топологии. Данная катушка взята за прототип.
Данная катушка по сравнению с предыдущим устройством формирует электромагнитное поле таким образом, что только в средней и дальней зоне к электропроводящему контролируемому объекту статическая характеристика преобразования обладает высокой чувствительностью и линейностью, в ближней зоне чувствительность и линейность такой катушки снижена, а это приводит к уменьшению диапазона и увеличению погрешности измерений.
Таким образом, известные катушки преобразователей, описанные в аналогах и прототипе, при их осуществлении не позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении точности измерения перемещений электропроводящего контролируемого объекта.
Задачей заявляемого изобретения является создание катушки индуктивности первичного вихретокового преобразователя перемещений электропроводящего контролируемого объекта, обеспечивающей определение перемещений электропроводящего контролируемого объекта в труднодоступных местах с высокой точностью.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерений перемещений электропроводящего контролируемого объекта в труднодоступных местах за счет повышения чувствительности и линейности статической характеристики преобразования во всем диапазоне измерений (в ближней, средней и дальней зонах) по отношению к электропроводящему контролируемому объекту.
Указанный технический результат достигается тем, что катушка индуктивности первичного вихретокового преобразователя перемещений электропроводящего контролируемого объекта, содержащая несколько слоев в виде печатных дисков, каждый из которых выполнен с обмоткой по спиральной круговой топологии, согласно изобретения, катушка дополнена одним или более слоями, выполненными с обмотками по восьмеркообразной топологии, причем ближние к электропроводящему контролируемому объекту слои выполнены с обмотками по восьмеркообразной топологии, а удаленные от электропроводящего контролируемого объекта слои - с обмотками по спиральной круговой топологии, при этом начальная индуктивность слоя с восьмеркообразной топологией составляет 0,3…0,5 по отношению к начальной индуктивности слоя со спиральной круговой топологией.
Выполнение катушки индуктивности первичного вихретокового преобразователя комбинированной за счет дополнения к многослойной катушке со слоями, выполненными с обмотками по спиральной круговой топологии, одного или более слоев, выполненных с обмотками по восьмеркообразной топологии, причем ближние к электропроводящему контролируемому объекту слои выполнены с обмотками по восьмеркообразной топологии, а удаленные от электропроводящего контролируемого объекта слои - с обмотками по спиральной круговой топологии, при этом начальная индуктивность слоя с восьмеркообразной топологией составляет 0,3…0,5 по отношению к начальной индуктивности слоя со спиральной круговой топологией обеспечивает повышение точности измерения перемещений (зазоров) электропроводящего контролируемого объекта в труднодоступных местах за счет увеличения чувствительности и линейности статической характеристики преобразования перемещения во всем диапазоне измерений (в ближней, средней и дальней зонах) по отношению к электропроводящему контролируемому объекту. Указанное соотношение начальных индуктивностей слоев с восьмеркообразной и спиральной круговой топологией оптимально, подтверждено экспериментально. В случае выхода за указанные пределы увеличивается нелинейность характеристики преобразования, причем чувствительность в ближней зоне значительно отличается от ее среднего значения в рабочем диапазоне, а это приводит к увеличению погрешности измерения. Между слоями катушки индуктивности с восьмеркообразной и круговой топологией существует только электрическая (гальваническая) связь, а электромагнитная связь (взаимоиндуктивность) практически отсутствует. Это позволяет, применив принцип суперпозиции, в ближней зоне получить суммарную чувствительность ВТПП больше, чем, если бы все обмотки дисковой катушки были круговыми, особенно при одинаковых габаритах и количестве витков. Поскольку индуктивность слоя с восьмеркообразной топологией является дополнительной, то и суммарная индуктивность у комбинированной катушки ВТПП в дальней зоне также будет больше. А это значит, что не только в ближней, но и в дальней зоне чувствительность возрастет за счет смещения резонансной частоты контура, образованного суммарной индуктивностью, собственной межвитковой емкостью катушки, собственной емкостью соединительного кабеля, станет ближе к несущей частоте питающего высокочастотного электрического генератора. Емкость соединительного кабеля, применяемого для подключения катушки первичного вихретокового преобразователя перемещений, с целью формирования переменного электромагнитного поля, к высокочастотному электрическому генератору, присоединена параллельно с суммарной индуктивностью преобразователя. Увеличение собственной индуктивности катушки смещает ее резонансную частоту на более крутой участок резонансной кривой ближе к несущей частоте питающего высокочастотного электрического генератора. В этом случае на указанном участке изменение суммарной индуктивности преобразователя вызовет большее изменение полного вносимого сопротивления преобразователя, а значит увеличение чувствительности по сравнению с прототипом. Таким образом, удается снизить погрешность измерений зазоров и перемещений электропроводящего контролируемого объекта в труднодоступных местах и достичь большей точности в более широком диапазоне измерений (в ближней, средней и дальней зоне) с более высоким разрешением.
Для обеспечения возможности наиболее оптимального выбора значения индуктивности слои катушки с обмотками по восьмеркообразной топологии могут быть выполнены с возможностью взаимного кругового смещения в плоскости катушки вокруг оси Z преобразователя на ±90°, позволяющей изменять взаимную индуктивность между слоями от нулевого при ортогональном расположении обмоток до максимального значения: положительного - при согласном (+90°) включении слоев или отрицательного - при их встречном включении (-90°).
Таким образом, выполнение катушки индуктивности первичного вихретокового преобразователя перемещений электропроводящего контролируемого объекта по технологии многослойных печатных плат, при котором ближние к электропроводящему контролируемому объекту слои катушки индуктивности выполнены с обмотками по восьмеркообразной топологии, а удаленные от электропроводящего контролируемого объекта - с обмотками по спиральной круговой топологии и при определенном соотношении их начальных индуктивностей, позволяет повысить точность измерения перемещений (зазоров) в труднодоступных местах за счет увеличения чувствительности и линейности статической характеристики преобразования перемещения в ближней, средней и дальней зонах по отношению к электропроводящему контролируемому объекту.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
фиг. 1 - схема катушки индуктивности первичного вихретокового преобразователя перемещений электропроводящего контролируемого объекта;
фиг. 2 - схема кругового смещения слоев дисковой катушки, выполненных с обмотками по восьмеркообразной топологии, в плоскости катушки вокруг оси симметрии Z преобразователя на ±90°;
фиг. 3 - графики зависимости комплексного сопротивления  от относительного приведенного перемещения (зазора)  электропроводящего контролируемого объекта для катушек с различной топологией, где кривая А - катушки индуктивности со спиральной круговой топологией обмотки, кривая В - катушки с восьмеркообразной топологией обмотки, кривая С - заявляемой комбинированной катушки индуктивности,  - текущее значение перемещения (зазора),  - номинальное значение перемещения (зазора),  - значения комплексного сопротивления катушек соответственно с круговой, восьмеркообразной, комбинированной топологией при отсутствии электропроводящего контролируемого объекта;
mах
фиг. 4 - графики зависимости коэффициентов преобразования К приведенных к максимальному значению К коэффициента преобразования (чувствительности) от приведенного перемещения (зазора)  преобразователей для катушек с различной топологией, где кривая а - катушки преобразователя со спиральной круговой катушкой индуктивности, кривая в - преобразователя с восьмеркообразной катушкой индуктивности, кривая с - заявляемого первичного вихретокового преобразователя с заявляемой комбинированной катушкой индуктивности. Устройство выполнено следующим образом.
Катушка индуктивности первичного вихретокового преобразователя (фиг. 1) содержит несколько слоев 1 в виде печатных дисков, каждый из которых выполнен по спиральной круговой топологии, также содержит два слоя 2, 3, выполненных по восмеркообразной топологии. Слои 2, 3 размещены ближе к электропроводящему контролируемому объекту 4, а слои 1 - удалены от него. Между всеми слоями 1, 2 и 3 существует последовательная электрическая (гальваническая) связь, кроме того между слоями 1 - электромагнитная согласная связь, между слоями 1 и слоями 2, 3 электромагнитная связь отсутствует. Для обеспечения возможности наиболее оптимального выбора значения суммарной индуктивности слои 2, 3 выполнены с возможностью взаимного кругового смещения в плоскости катушки вокруг оси симметрии Z преобразователя на ±90° (фиг. 2), что позволяет изменять взаимную индуктивность между слоями 2, 3 от нулевого при ортогональном расположении обмоток до максимального значения: положительного - при согласном (+90°) включении слоев или отрицательного - при их встречном включении (-90°). Кривые зависимостей (фиг. 3) демонстрируют достижение более высокой чувствительности и линейности статической характеристики преобразования заявляемой катушки первичного вихретокового преобразователя перемещений с комбинированной топологией. Кривые зависимостей (фиг. 4) демонстрируют достижение более высокого и стабильного коэффициента преобразования в рабочем диапазоне статической характеристики преобразования и, как следствие, снижение погрешности измерения перемещения (зазора) для заявляемой катушки индуктивности первичного вихретокового преобразователя. Устройство работает следующим образом.
При подключении генератора переменного или импульсного тока высокой частоты (не показано) к катушке индуктивности преобразователя со слоями 1, 2, 3 по обмоткам протекает ток, который возбуждает в электропроводящем контролируемом объекте 4 вихревые токи. Электромагнитное поле вихревых токов объекта 4 воздействует зеркально на катушку, наводя в ней ЭДС и изменяя ее полное сопротивление. Регистрируя напряжение на зажимах катушки можно получить информацию в труднодоступных местах о свойствах электропроводящего контролируемого объекта 4 и о его положении относительно катушки.
На предприятии был изготовлен опытный образец комбинированной катушки индуктивности, который подтвердил увеличение чувствительности и линейности статической характеристики преобразования и достижение точности в более широком диапазоне измерений (в ближней, средней и дальней зоне) по отношению к электропроводящему контролируемому объекту с более высоким разрешением.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении заявляемого изобретения при использовании следующей совокупности условий:
- заявляемая катушка индуктивности первичного вихретокового преобразователя перемещений электропроводящего контролируемого объекта относится к измерительной технике, а именно к области создания средств бесконтактных измерений различных параметров, в том числе, перемещений и зазоров между катушкой измерительного преобразователя и электропроводящим контролируемым объектом;
- заявляемая катушка индуктивности первичного вихретокового преобразователя перемещений электропроводящего контролируемого объекта при использовании способна обеспечить повышение точности измерения перемещений контролируемого электропроводящего объекта в труднодоступных местах;
- для заявляемой катушки индуктивности первичного вихретокового преобразователя перемещений электропроводящего контролируемого объекта в том виде, в котором она охарактеризована в формуле изобретения, подтверждена возможность ее осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств.
Следовательно, заявленная катушка индуктивности первичного вихретокового преобразователя перемещений электропроводящего контролируемого объекта соответствует условию «промышленная применимость».