СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
WAY OF EDDY CURRENT CONTROL AND DEVICE FOR ITS REALISATION

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 выход 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 G01N 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. Опубл. 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 со 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 коммутирующею 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 I 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 и периодически формируют в колебательном контуре собственные затухающие колебания, по величине затухания судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта, и отличительных от наиболее близкого аналога новых существенных признаков: колебательный контур периодически подключают к заряженному разрядному конденсатору для формирования в параллельном колебательном контуре собственных затухающих колебаний, величину затухания переходного процесса измеряют путем детектирования, фильтрации и интегрирования сигнала переходного процесса, возникающего в контуре после каждого подключения его к разрядному конденсатору, после окончания переходного процесса колебательный контур отключают от разрядного конденсатора, после чего разрядный конденсатор подключают через зарядный резистор к источнику стабильного постоянного напряжения и вновь медленно заряжают разрядный конденсатор до напряжения источника.
Устройство для осуществлении способа вихретокового контроля содержит элементы общие с прототипом: вихретоковый преобразователь, коммутирующий элемент, второй выход которого соединен с входом вихретокового преобразователя, задающий генератор, и новые элементы: источник стабильного постоянного напряжения, зарядный резистор, разрядный конденсатор, аналоговый ключ, элемент задержки, формирователь импульсов, активный детектор, фильтр нижних частот, обнуляемый интегратор, усилитель-формирователь уровней, аналого-цифровой преобразователь, арифметико-логическое устройство, цифроаналоговый преобразователь, при этом выход задающего генератора соединен с входом аналогового ключа, с первым входом коммутирующего устройства и входом элемента задержки, выход которого соединен с входом формирователя импульсов, а выход формирователя импульсов - со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, второй вход обнуляемого интегратора соединен с первым выходом аналогового ключа, второй выход которого соединен с третьим входом обнуляемого интегратора, разрядный конденсатор соединен со вторым входом коммутирующего устройства, первый выход которого соединен с выводом зарядного резистора, второй вывод которого присоединен к источнику стабильного постоянного напряжения, последовательно соединены вихретоковый преобразователь, активный детектор, фильтр нижних частот, обнуляемый интегратор, усилитель-формирователь уровней, аналого-цифровой преобразователь, арифметико-логическое устройство и цифроаналоговый преобразователь, выход которого является выходом устройства.
Ниже раскрывается наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемых изобретений 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 существенного увеличения амплитуды колебаний контура, выделения огибающей (демодуляции) и интегрирования сигнала.
В-третьих, применение такого способа и устройства позволяет повысить энергетическую экономичность измерений, так как во время звона контур не потребляет энергию от источника питания, а величину зарядного тока разрядного конденсатора в промежутке между импульсами устанавливают малой благодаря большой величине межимпульсного интервала. Малый потребляемый ток 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.
В-пятых, отсутствие усиления сигналов по высокой частоте повышает температурную стабильность устройства, так как температурная стабильность таких усилителей невысока.
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 структурная схема, использование которой позволяет реализовать предлагаемые нами способ и устройство.
На фиг.2 приведены эпюры выходных напряжений узлов устройства, иллюстрирующие принцип выделения информативного параметра.
На фиг.3 показана электрическая принципиальная схема реализации переходного процесса в колебательном контуре по предлагаемому способу.
max
Способ осуществляется следующим образом. С задающего генератора на коммутирующий элемент подают видеоимпульс (фиг.2а). Вихретоковый преобразователь, представляющий собой параллельный резонансный контур с индуктивностью L и емкостью С1, подключают на время действия видеоимпульса при помощи коммутирующего элемента к заряженному до напряжения U (фиг.2б) от источника стабильного постоянного напряжения разрядному конденсатору С2. В момент подключения заряд на конденсаторе С2 равен
заряд на конденсаторе С1 равен нулю, следовательно, в соответствии с законом сохранения заряда напряжение на контуре вихретокового преобразователя подскочит до величины
Скачок напряжения вызывает в контуре вихретокового преобразователя переходный процесс в виде спадающего по экспоненте радиоимпульса (фиг 2в). Постоянная затухания радиоимпульса определяется суммарными потерями в контуре и потерями на вихревые токи в материале образца. Затухающие колебания описываются выражением
где t - время,  - резонансная частота контура, α=R/2L, R - полное сопротивление потерь, L - индуктивность вихретокового преобразователя, (С1+С2) - полная емкость контура.
0
Если α/ω<<1, то
з
з
paз.
min
min
При контроле перемещения изменение расстояния от вихретокового преобразователя 4 до контролируемого объекта приводит к изменению R и L, а следовательно, в соответствии с формулами (4) и (5) к изменению времени затухания радиоимпульса. Затухающие радиоимпульсы детектируют (фиг.2г). 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.2д) и, следовательно, амплитуду выходного сигнала после интегрирования. Во время действия видеоимпульса производят интегрирование сигнала (фиг.2е). После затухания спадающего по экспоненте радиоимпульса до нуля на выходе интегратора устанавливается постоянное по величине напряжение, которое усиливают и формируют необходимые минимальное и максимальное значения, измеряют при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП) во время действия стробимпульса (фиг.2е, ж), линеаризуют в арифметико-логическом устройстве (АЛУ), переводят вновь в аналоговую форму с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 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. После выключения видеоимпульса интегратор обнуляют, разрядный конденсатор С2 отсоединяют от преобразователя, и подключают к стабильному источнику напряжения через зарядный резистор R. Конденсатор С2 медленно заряжают (фиг.2б) с постоянной времени τ=RC2 до напряжения источника стабильного постоянного напряжения по закону
max
0
0
причем величину начального скачка тока I=U/R устанавливают такой, чтобы не вызвать в цепях питания заметных переходных процессов, вызывающих дополнительные ошибки измерений. Период повторения импульсов Т, примерно равный времени заряда конденсатора, устанавливают не менее 5τ, чтобы обеспечить напряжение на зарядном конденсаторе U с точностью выше 1%. Затем цикл измерений повторяют.
Устройство для осуществления способа вихретокового контроля содержит вихретоковый преобразователь 4, коммутирующий элемент 3, второй выход которого соединен с входом вихретокового преобразователя 4, задающий генератор 13, источник стабильного постоянного напряжения 1, зарядный резистор 2, разрядный конденсатор 7, аналоговый ключ 8, элемент задержки 14, формирователь импульсов 15, активный детектор 5, фильтр нижних частот 6, обнуляемый интегратор 9, усилитель-формирователь уровней 10, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11, арифметико-логическое устройство (АЛУ) 12 и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 16, при этом выход задающего генератора 13 соединен с входом аналогового ключа 8, с первым входом коммутирующего устройства 3 и входом элемента задержки 14, выход которого соединен с входом формирователя импульсов 15, выход формирователя импульсов 15 - со вторым входом аналого-цифрового преобразователя 11, второй вход обнуляемого интегратора 9 соединен с первым выходом аналогового ключа 8, второй выход которого соединен с третьим входом обнуляемого интегратора 9, разрядный конденсатор 7 соединен со вторым входом коммутирующего устройства 3, первый выход которого соединен с выводом зарядного резистора 2, второй вывод которого присоединен к источнику стабильного постоянного напряжения 1, последовательно соединены вихретоковый преобразователь 4, активный детектор 5, фильтр нижних частот 6, обнуляемый интегратор 9, усилитель-формирователь уровней 10, аналого-цифровой преобразователь 11, арифметико-логическое устройство 12, и цифроаналоговый преобразователь 16, выход которого является выходом устройства.
0
Работа устройства поясняется эпюрами, приведенными на фиг.2. Устройство работает следующим образом. Импульсы (фиг.2а) с задающего генератора 13 поступают на вход элемента задержки 14, на вход аналогового ключа 8, который размыкает на время длительности импульса емкость обнуляемого интегратора 9 (фиг.2е), на первый вход коммутирующего элемента 3, который подключает разрядный конденсатор 7 к вихретоковому преобразователю 4 и отключает зарядный резистор 2 от разрядного конденсатора 7. Заряд, накопленный на конденсаторе 7, в соответствии с законом сохранения заряда распределяется между емкостями конденсатора 7 и конденсатора контура вихретокового преобразователя (фиг.2б). В соответствии с формулой (3) это вызывает скачок напряжения на контуре, после которого наблюдается переходный процесс (звон контура) в виде затухающих по экспоненте синусоидальных сигналов (фиг.2в). Эти высокочастотные сигналы детектируются (фиг.2г) активным детектором 5, с выхода детектора 5 они передаются на вход фильтра нижних частот 6, имеющего разные времена заряда и разряда, а полученная огибающая высокочастотного сигнала (фиг.2д) поступает на первый вход обнуляемого интегратора 9. Во время переходного процесса, возникающего после фронта импульса, обнуляемый интегратор 9 находится в рабочем режиме и интегрирует входной сигнал (фиг.2е), так как его интегрирующий конденсатор (на фигурах не показан) находится в разомкнутом состоянии. После окончания импульса, аналоговый ключ замыкает конденсатор (на фигурах не показан) обнуляемого интегратора 9 и напряжение на его выходе равно нулю (фиг.2е). Выходное напряжение с обнуляемого интегратора 9 поступает на вход усилителя-формирователя уровней 10, в котором напряжение усиливается и подается на первый вход АЦП 11 для дальнейшей обработки. Минимальный и максимальный уровни напряжения усилителя-формирователя 10 подбираются таким образом для преобразования, чтобы обеспечить оптимальный режим работы АЦП 11. На второй вход АЦП 11 поступает задержанный на время звона контура элементом задержки 14 и образованный формирователем импульсов 15 строб-импульс (фиг.2ж), разрешающий включение режима выборки после окончания времени звона контура вихретокового преобразователя 4 и достижения выходным напряжением обнуляемого интегратора 9 постоянного уровня, соответствующего площади под огибающей звона контура (фиг.2е). В практических схемах запоминание выходного напряжения производится через 30-40 микросекунд после начала импульса. Напряжение, в цифровом виде обрабатывается арифметико-логическим устройством 12, запоминается, линеаризуется одним из известных методов, например методом линейно-кусочной аппроксимации, и подается на вход ЦАП 16, аналоговый выход которого является выходом устройства. После окончания импульса коммутирующий элемент 3 отключает разрядный конденсатор 7 от контура вихретокового преобразователя 4 и подключает разрядный конденсатор 7 через зарядный резистор 2 к источнику стабильного постоянного напряжения 1. Разрядный конденсатор 7 за время периода Т медленно заряжается до напряжения источника стабильного постоянного напряжения 1 (фиг.2б) Так как заметного скачка тока при этом не происходит, переходные процессы в цепях питания имеют незначительную амплитуду и не вызывают увеличения ошибки измерений. После чего цикл измерений повторяется.
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 стабильного постоянного напряжения 1 может быть использован источник REF3030 фирмы Texas Instruments, коммутирующий элемент 3 и аналоговый ключ 8 могут быть реализованы на переключаемых ключах типа ADG419BR фирмы Analog Devices. Вихретоковый преобразователь 4 состоит из катушки индуктивности, намотанной на торце шпильки, соединительного кабеля и емкости, которые образуют стандартный колебательный контур. Фильтр нижних частот 6, активный детектор 5, обнуляемый интегратор 9 по схеме Миллера или по схеме неинвертирующего интегратора с отрицательным сопротивлением, усилитель-формирователь уровней 10 могут быть реализованы по стандартным схемам на операционных усилителях, приведенных в монографии: Операционные усилители/ И. Достал. - М.: Мир, 1982. - 188, 190, 191, 196, 199 с. Задающий генератор 13, элемент задержки 14, формирователь импульсов 15, аналого-цифровой преобразователь 11, арифметико-логическое устройство 12 и цифроаналоговый преобразователь 16 удобно выполнить на одном устройстве, например, микроконтроллере фирмы «Atmel» AT90PWM3 со встроенными АЦП и ЦАП.
2
Вариант схемы вихретокового преобразователя 4 с зарядным резистором 2, разрядным конденсатором 7, коммутирующим элементом 3, активным детектором 5 и фильтром 6 показан на фиг.3. Индуктивность 17 выполнена в виде шпильки, на торце которой намотана многовитковая катушка, имеющая внешний диаметр 8 мм, сечение 0,8 мм, величину индуктивности 30 мкГн, собственное активное сопротивление 2,3 Ом. Параллельно индуктивности катушки включен конденсатор контура 18, его емкость 1000 пФ. Емкость разрядного конденсатора 7 также выбрана 1000 пФ, сопротивление зарядного резистора 2 выбрано 51 кОм. Для возбуждения колебаний в контуре применен источник опорного напряжения 1 величиной 3,00 В. Активный детектор 5 реализован на высокочастотном быстродействующем операционном усилителе 22 типа AD8014AR фирмы Analog Devices, резисторах 19, 20, 21, диодах 23, 24. Фильтр нижних частот реализован на конденсаторе 25 и элементах 20, 21, 23, 24. Активный детектор 5 имеет высокое входное сопротивление и не шунтирует контур 17, 18, 7. Это позволяет исключить высокочастотный буферный каскад, что повышает температурную стабильность схемы. В качестве коммутирующего элемента 3 в данном случае выбран КМОР-транзистор IRF7317, обладающий крайне низким сопротивлением 0,05 Ом в открытом состоянии и не снижающий добротности контура.
С
В целях подтверждения осуществимости заявленного устройства и достигнутого технического результата изготовлен и испытан опытный образец, выполненный в соответствии со структурной схемой, изображенной на фиг.1, и электрической принципиальной схемой, представленной на фиг.3. Схема работает следующим образом. Во время отсутствия импульса разрядный конденсатор 7 через зарядный резистор 2 медленно заряжается до напряжения 3,00 В. В момент поступления импульса на вход транзистора 3 он открывается, закорачивает один вывод разрядного конденсатора 7 на общий провод, на второй обкладке разрядного конденсатора 7 скачком возникает напряжение, равное -U (формула (3)). В контуре происходит переходный процесс, который демодулируется, интегрируется, оцифровывается и линеаризуется. Линеаризация проведена для расстояний 0,3…2,7 мм до стального диска, выполненного из стали марки 40х. В результате измерений, проведенных предложенными способом и устройством, получена линейная зависимость выходного напряжения устройства, выполненного с использованием цифрового микроконтроллера фирмы «Atmel» AT90PWM3, от величины зазора между вихретоковым преобразователем и стальным диском с погрешностью 5 микрон. Устройство имеет высокую температурную стабильность. 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.