Повышение информативной способности вихретоковых датчиков

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

УДК 681.586.7

С. В. Абрамов

ПОВЫШЕНИЕ ИНФОРМАТИВНОЙ СПОСОБНОСТИ ВИХРЕТОКОВЫХ ДАТЧИКОВ

S. V. Abramov

INCREASE OF INFORMATION ABILITY EDDY CURRENT SENSORS

Аннотация. Рассмотрены вопросы синтеза эквивалентных схем замещения вихретоковых датчиков (ВД) перемещений по частотным характеристикам иммитанса двухполюсной цепи датчика. Показана возможность повышения информативной способности ВД. Приведены методика синтеза схемы замещения и пример построения оптимальной по чувствительности измерительной цепи квазидифференциального ВД перемещений. Предложенная методика синтеза двухэлементной схемы замещения ВД позволила определить неинформативный параметр и устранить его с помощью схемотехнического решения и при этом снизить габаритные размеры ВД.

Abstract. In article raise questions of synthesis of equivalent equivalent circuits the eddy current sensors of movements according to frequency characteristics of an immitance of a bipolar chain of the sensor . Possibility of increase of informative ability of VD is shown. The technique of synthesis of an equivalent circuit and example of construction optimum on sensitivity of a measuring chain of quasidifferential VD of movements is given. The offered technique of synthesis of a two-element equivalent circuit of VD allowed to determine not informative parameter and to eliminate it by means of the circuitry decision and thus to lower overall dimensions of VD.

Ключевые слова: вихретоковые датчики, синтез, схема замещения, информативная способность, квазидифференциальная схема.

K e y words: eddy current sensors, synthesis, equivalent circuit, informative ability, quasidifferential scheme.

Вихретоковые датчики (ВД) нашли широкое применение при контроле и диагностике состояния вращающихся валов различных энергетических установок. С помощью ВД обеспечивают бесконтактное измерение относительной вибрации, частоты вращения, искривления, а также тепловых расширений вала ротора, осевых смещений и радиальных вибраций вала ротора относительно корпуса.

Параметрический накладной ВД имеет одну обмотку, представляющую собой катушку индуктивности. Принцип работы ВД основан на явлении электромагнитной индукции. Переменное электромагнитное поле, созданное катушкой ВД, создает вихревые токи в металличе-

77

ском объекте, которые воздействуют на поле возбуждающей катушки и изменяют ее индуктивность. Это вызывает изменение параметров катушки (амплитуды, частоты, фазы). По изменению этих параметров можно судить о свойствах объекта.

Модуль вносимой величины, зависящей от перемещения, гораздо меньше соответствующих собственных начальных величин ВД (максимально может составлять половину от начального значения), поэтому чтобы выделить полезную информацию, проводят компенсацию начальных собственных параметров ВД тем или иным образом.

В литературе для решения этой проблемы применяются комбинированные ВД, позволяющие достаточно просто подавлять влияние внешних влияющих факторов, наиболее важным из которых является температура.

Примером комбинированного накладного ВД является дифференциальный датчик с двумя идентичными и встречно включенными обмотками, расположенными в одной плоскости со смещением их относительно центра возбуждающей катушки и симметричным их расположением [1].

Рис. 1. Сечение дифференциального датчика с двумя идентичными обмотками

При равенстве количества обмоток W2 и W3 добиваются равенства нулю выходного напряжения:

U = U2 - Uз = 0.

Когда объект помещается в измерительную зону накладного ВД, на выходе датчика появляется напряжение, равное вносимому напряжению. Преимущество такого включения состоит в том, что полностью компенсируется неинформативное напряжение, не зависящее от перемещения, и, соответственно, его температурная погрешность при работе в широком диапазоне нестационарных температур. Недостаток - существенные габаритные размеры, потому как обе измерительные катушки находятся на одной плоскости по отношению к объекту контроля.

Авторами предлагается решение задачи по устранению неинформативного сигнала и снижению габаритных размеров. Для этого необходимо провести анализ и синтез эквивалентной схемы замещения измерительной катушки ВД.

В [2] схема замещения измерительной катушки параметрического ВД представляет собой последовательные соединения собственной начальной индуктивности L0 = const с последовательным соединением вносимого комплексного сопротивления, состоящего из последовательного соединения вносимой отрицательной индуктивности 1вн и вносимого активного сопротивления Ява , зависящих от измеряемого перемещения h. Годограф полного относительного сопротивления витка в присутствии проводящего образца и схема замещения измерительной катушки ВД представлены на рис. 2.

78

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

0

~ \~0

Рис. 2. Годограф полного относительного сопротивления витка в присутствии проводящего образца и эквивалентная схема замещения измерительной катушки ВД

Параметры схемы замещения имеют следующие соотношения:

Z0 =

Zh = Z0 _ Z вн ;

Zвн =V.

На годографе по осям отложены активная и реактивная компоненты полного сопротивления витка, отнесенные к его индуктивному сопротивлению в отсутствие образца. Как видно по годографу, при увеличении Р активная составляющая вносимого сопротивления растет (достигает максимума при Р = 5), а затем падает. Вносимая индуктивность из начальной индуктивности вычитается и с увеличением Р растет. Максимум вносимой индуктивности при

Р ^да.

Информативными параметрами в схеме замещения являются Lm и Лвн. Как видно по годографу, максимальное изменение Ьвн по отношению к L0 составляет 55 %, а Явн по отношению к L0 - 15 %.

Предлагается методика построения модели в виде эквивалентной схемы замещения по экспериментально снятым логарифмическим амплитудно-частотным и фазочастотным характеристикам комплексного иммитанса (сопротивления или проводимости) двухполюсника. На рис. 3 приведены экспериментально снятые амплитудно- и фазочастотные характеристики проводимости Y (ю) двухполюсной цепи ВД в логарифмическом масштабе для двух предельных значений перемещения: h = 0 и h = да.

2014,. № 4

Рис. 3. Логарифмические амплитудно- и фазочастотные характеристики измерительной катушки ВД

По снятым амплитудно-частотным и фазочастотным характеристикам импеданса в зависимости от перемещения h методом аппроксимации реальных амплитудно- и фазочастотных характеристик были построены логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАЧХ) L1 для h = 0 и L2 для h = <х> в виде прямых с наклоном 0 дб/дек, ±20 дб/дек и фазочастотные характеристики.

По виду аппроксимированной логарифмической амплитудно-частотной характеристики иммитанса комплексную проводимость Y измерительной катушки ВД можно представить в операторном виде:

Y(p) — ko(Tp + 1) — 1 вых

Р(Тз Р + 1) U '

U вх

Анализ этого выражения с позиции теории автоматического управления позволяет синтезировать эквивалентную схему замещения измерительной катушки, и этому выражению соответствуют эквивалентные схемы, представленные на рис. 4.

а) б)

Рис. 4. Эквивалентные схемы замещения измерительной катушки ВД

Постоянные времени Т1 и Т3, коэффициент усиления К0 для эквивалентной схемы замещения, представленной на рис. 4,а, имеют следующий вид:

К _ Т . T _ Ln L Lx . T _ Lx Л0 _ -^5 А \ - R з г з - R .

Постоянные времени Т1 и Т3, коэффициент усиления К0 для эквивалентной схемы замещения, представленной на рис. 4,б, имеют следующий вид:

К — L -L L • T — Lx • T — Lx LK

Л0 _ ъх> 11 _ л > J3“'

Rx

RX

Как видно по экспериментально снятым АЧХ, величина К0 не зависит от измеряемого перемещения и является постоянной величиной. Таким образом, эквивалентная схема замещения измерительной катушки ВД представляет собой параллельное соединение начальной индуктивности и последовательно соединенных активной и реактивной составляющих вносимого сопротивления (см. рис. 4,а).

79

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

При протекании переменного электрического синусоидального тока через измерительную катушку 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 пронизывают магнитный поток, различны, для уменьшения температурной погрешности необходимо устранить с пути протекания магнитного потока все электропроводящие объекты, кроме объекта контроля, перемещение которого измеряется, что обеспечивается соответствующим пространственным расположением и взаимодействием элементов конструкции. При перемещении электропроводящего объекта контроля относительно измерительной катушки в зависимости от расстояния между ними изменяется величина магнитного потока, пронизывающего электропроводящий объект контроля, и, следовательно, изменяется величина суммарных вихревых токов в объекте контроля и создаваемого ими встречного магнитного потока, что приводит к изменению потокосцепления измерительной катушки индуктивности.

Для повышения точности измерения и уменьшения температурных погрешностей в измерительной технике широко используют так называемый квазидифференциальный метод, при котором входная измеряемая величина, в данном случае измеряемое перемещение объекта контроля, воздействует только на одну ветвь. На вторую ветвь воздействуют (как и на первую) только дестабилизирующие факторы, в данном случае температура, и вторая ветвь компенсирует влияние температуры на результат измерения перемещения объекта контроля. Точность компенсации влияния температуры на результат измерения перемещения определяется строгой идентичностью параметров ветвей и строго идентичной зависимостью этих параметров от температуры во всем рабочем диапазоне.

Рис. 5. Квазидифференциальная схема включения Внешний вид ВД с применением квазидифференциальной схемы представлен на рис. 6.

Рис. 6. Внешний вид ВД:

1 - объект; 2 - керамический корпус; 3 - измерительная катушка;

4 - компенсационная катушка; 5 - керамический каркас; 6 - экранирующая пластина; 7 - металлическая катушка; 8 - кабельная перемычка

81

Таким образом, предложен вариант решения задачи по устранению неинформативного начального сигнала ВД с использованием квазидифференциальной схемы включения, при этом диаметр ВД уменьшается в 2 раза.

Список литературы

1. Неразрушающий контроль : справочник : в 7 т. / под общ. ред. В. В. Клюева. - М. : Машиностроение, 2003.

2. Соболев, В. С. Накладные и экранные датчики / В. С. Соболев, Ю. М. Шкарлет. - Новосибирск : Наука, Сибир. отд-е, 1967. - 144 с.

Абрамов Сергей Владимирович

аспирант,

Пензенский государственный университет, инженер,

Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: abramov2011s@mail.ru

Abramov Sergey Vladimirovich

postgraduate student,

Penza State University, engineer,

Scientific-research Institute of physical measurement

УДК 681.586.7 Абрамов, С. В.

Повышение информативной способности вихретоковых датчиков / С. В. Абрамов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - № 4 (10). - С. 76-81.