ВИХРЕТОКОВЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ
EDDY CURRENT METRE

Изобретение относится к области неразрушающего контроля методом вихревых токов и может быть использовано для измерения толщин различных материалов и их покрытий, дефектоскопии, измерения электропроводности материалов и для других применений.
Известен вихретоковый измеритель [1], содержащий вихретоковый трансформаторный преобразователь, обмотка возбуждения которого соединена с генератором возбуждения вихретокового трансформаторного преобразователя, измерительная и компенсационная обмотки соединены встречно друг с другом и с общим входом фазового детектора, выход измерительной обмотки через первый усилитель соединен с первым сигнальным входом фазового детектора, выход которого соединен с блоком управления и обработки информации.
Недостатком такого вихретокового измерителя является низкая точность, связанная с тем, что сигнал на измерительной обмотке сравнивается с сигналом на обмотке напряжения. В результате этого температурная нестабильность параметров обмотки возбуждения напрямую сказывается на точности измерений.
Известен вихретоковый измеритель - дефектоскоп [2], в котором подбирают и используют несколько частот возбуждения для обнаружения дефектов на определенной глубине.
Недостатком такого вихретокового измерителя является ограниченная область применения.
Известен вихретоковый измеритель [3] - портативный интегрирующий толщиномер покрытий ТТ230 фирмы "Time Group Inc.", работающий по принципу вихревых токов, способный измерять толщины неэлектропроводящих покрытий на немагнитной металлической основе (эмаль, каучук или краска на меди, алюминии, цинке или олове) без нанесения вреда проверяемому объекту. Толщиномер ТТ 230 имеет встроенный вихретоковый преобразователь.
Недостатками этого прибора являются невозможность контроля электропроводящих покрытий и ограниченный температурный диапазон - 0-40°С. Кроме того, конструктивное исполнение прибора, в котором вихретоковый измеритель, блок обработки и отображения информации объединены в один корпус, делает его неудобным при измерениях в труднодоступных местах.
Известны [4] различные электромагнитные методы измерений толщины покрытий: вихретоковый параметрический (стр.32) и индукционный.
Недостатком этих методов является ограниченная область применения по сочетанию материалов и толщине покрытий, см. [4], таблица, стр.36.
Большинство вихретоковых измерителей, например, [4], стр.37, [5], [6] и многие другие конструктивно выполнены в виде отдельного элемента (вихретокового трансформаторного преобразователя), соединенного с блоком обработки и отображения информации кабельным соединением.
Недостатком таких вихретоковых измерителей является низкая точность, обусловленная проблемами взаимовлияния сигналов в кабелных соединениях, особенно на высоких частотах.
Наиболее близким к заявляемому является вихретоковый измеритель [4], стр.32, использующий вихретоковый фазовый метод измерений и содержащий вихретоковый трансформаторный преобразователь с ферритовым сердечником, обмотками возбуждения, измерительной и компенсационной, генератор возбуждения вихретокового трансформаторного преобразователя, фазовый детектор и контроллер, обмотка возбуждения соединена с генератором возбуждения вихретокового трансформаторного преобразователя, конец компенсационной обмотки соединен с общим входом фазового детектора, а конец измерительной обмотки через первый усилитель соединен с первым сигнальным входом фазового детектора, выход которого соединен со входом контроллера. Преимущества вихретокового фазового метода заключаются в более высокой точности по сравнению с другими методами и широте областей применения, см. [4], таблица, стр.36.
Недостатками этого устройства являются зависимость точности результатов измерений от температуры, низкая помехозащищенность и слабая адаптируемость к условиям измерений.
Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является повышение точности измерений. В данном изобретении под повышением точности измерений понимаются следующие проблемы и методы их решения.
Вихретоковый трансформаторный преобразователь обладает существенной зависимостью параметров от температуры. В частности, активное сопротивление обмотки возбуждения и параметры сердечника вихретокового трансформаторного преобразователя (магнитная проницаемость) существенно зависят от температуры, что непосредственно влияет на результаты измерений. Устранение этой зависимости позволяет сделать процесс измерений менее зависимым от температурных условий и за счет этого повысить точность измерений.
Вихретоковые измерения требуют соответствия частоты тока обмотки возбуждения параметрам исследуемых материалов, условиям измерений, требованиям по точности и другим обстоятельствам. Возможность задания частоты тока обмотки возбуждения повышает точность и универсальность измерителя.
Вихретоковые измерители имеют, как правило, чувствительный элемент (вихретоковый трансформаторный преобразователь), выполненный конструктивно в виде отдельного элемента, соединенного с остальными элементами вихретокового измерителя и блоком обработки и отображения информации кабельным соединением. Малые амплитуды выходных сигналов вихретоковых трансформаторных преобразователей, особенно при высоких частотах тока обмотки возбуждения, приводят к существенным ошибкам измерений. Это объясняется взаимовлиянием сигналов в кабельных соединениях, влиянием электромагнитных помех и непостоянством паразитной емкости кабельных соединений, связывающих чувствительный элемент с остальными элементами вихретокового измерителя. Решение этой проблемы заключается в переносе всех элементов вихретокового измерителя в один корпус с чувствительным элементом.
Схема заявляемого вихретокового измерителя представлена на чертеже, где:
1. Генератор возбуждения вихретокового трансформаторного преобразователя
2. Вихретоковый трансформаторный преобразователь
3. Обмотка возбуждения
4. Измерительная обмотка
5. Компенсационная обмотка
6. Первый усилитель
7. Фазовый детектор
8. Второй усилитель
9. Контроллер
10. Выход фазового детектора 7
11. Выход управления контроллера
12. Стандартный интерфейс связи с внешними устройствами.
Существенными отличиями заявляемого изобретения являются:
Начала измерительной 4 и компенсационной 5 обмоток соединены и через второй усилитель 8 подключены ко второму сигнальному входу фазового детектора 7. Такое решение позволяет сравнивать фазы сигналов, полученных на вторичных обмотках вихретокового трансформаторного преобразователя 2, за счет чего исключается влияние температурных нестабильностей обмотки возбуждения 3 (в частности, ее активного сопротивления) и сердечника вихретокового трансформаторного преобразователя 2 (в частности, магнитной проницаемости) на результаты измерений.
В прототипе разность фаз измеряется между сигналами на обмотке возбуждения и на вторичных обмотках, таким образом, указанные выше факторы в полной мере влияют на точность измерений.
Связь контроллера 9 с задающим входом генератора 1 возбуждения вихретокового трансформаторного преобразователя 2 позволяет управлять генератором от контроллера 9, задавая частоту тока возбуждения вихретокового трансформаторного преобразователя 2, так, чтобы она соответствовала параметрам исследуемых материалов, условиям измерений и требованиям по точности.
В прототипе не рассматривается вопрос изменения частоты тока возбуждения вихретокового трансформаторного преобразователя.
Наличие у контроллера 9 стандартного интерфейса связи с внешними устройствами 12 позволяет при выбранном конструктивном исполнении вихретокового измерителя, подключать к нему органы управления (клавиатуру), средства отображения (дисплей) или другие, более мощные средства управления, обработки и отображения информации.
В прототипе не рассматривается способ управления работой вихретокового измерителя и средства отображения информации.
Расположение вихретокового трансформаторного преобразователя 2 в одном корпусе со всеми элементами вихретокового измерителя позволяет исключить влияние кабельных соединений на точность измерений. Благодаря этому появляется возможность повысить частоту тока возбуждения вихретокового трансформаторного преобразователя 2, использовать вихретоковой трансформаторный преобразователь 2 меньшего диаметра, а за счет этого повысить локальность вихретокового контроля.
В прототипе не рассматривается конструктивное исполнение измерителя.
Рассмотрим основные элементы вихретокового измерителя.
Генератор 1 возбуждения вихретокового трансформаторного преобразователя 2 предназначен для формирования тока в обмотке возбуждения 3 вихретокового трансформаторного преобразователя 2. В качестве генератора 1 возбуждения вихретокового трансформаторного преобразователя 2 может использоваться генератор гармонических сигналов с возможностью управления частотой.
Вихретоковый трансформаторный преобразователь 2 - чувствительный элемент вихретокового измерителя, представляет собой ферритовый сердечник с обмотками возбуждения 3, измерительной 4 и компенсационной 5. Обмотка возбуждения 3 расположена посередине ферритового сердечника. Измерительная 4 и компенсационная 5 обмотки имеют идентичные характеристики и располагаются на противоположных концах сердечника.
Усилители 6 и 8 предназначены для усиления сигналов малой амплитуды с обмоток вихретокового трансформаторного преобразователя 2.
Фазовый детектор 7 предназначен для определения разности фаз сигнала, поступающего от компенсационной 5 обмотки, и разностного сигнала измерительной 4 и компенсационной 5 обмоток. Сигнал на выходе фазового детектора 7 пропорционален разности фаз сравниваемых сигналов.
Контроллер 9 предназначен для обработки сигнала 10, поступающего с фазового детектора 7, управления частотой генератора 1 и связи через стандартный интерфейс связи с блоком обработки и отображения информации. Контроллер 9 может быть реализован в виде однокристальной микроЭВМ, имеющей аналоговый вход для приема сигнала от фазового детектора, цифровой выход управления генератором 1 и стандартный интерфейс связи для обмена с блоком обработки и отображения информации.
Рассмотрим работу заявляемого вихретокового измерителя.
Перед началом работы через стандартный интерфейс связи 12 в контроллер 9 поступают управляющие коды, задающие, в частности, частоту генератора 1, которая выбирается оператором исходя из параметров материала объекта исследований, требований по разрешающей способности и т.п. Контроллер 9 через выход управления 11 подает соответствующую уставку частоты тока обмотки возбуждения 3 вихретокового преобразователя 2 на генератор 1 возбуждения вихретокового трансформаторного преобразователя 2. Генератор 1 возбуждения вихретокового трансформаторного преобразователя 2 формирует ток в обмотке возбуждения 3 вихретокового трансформаторного преобразователя 2, который вызывает появление сигналов (ЭДС) на измерительной 4 и компенсационной 5 обмотках. Вихретоковый трансформаторный преобразователь располагается в непосредственной близости от остальных элементов вихретокового измерителя, так что проблема электромагнитной совместимости решается сравнительно легко и наводки в проводниках цепей связи мало влияют на результаты измерений. Температурная зависимость параметров обмотки возбуждения 3 и сердечника вихретокового трансформаторного преобразователя 2 не влияет на результаты измерений, поскольку используются только сигналы, полученные со вторичных обмоток 4 и 5. Сигнал, полученный с компенсационной обмотки 5 через усилитель 8, и разностный сигнал с измерительной 4 и компенсационной 5 обмоток через усилитель 6 поступают на сигнальные входы фазового детектора 7, где определяется разность их фаз. При отсутствии объекта исследования разностный сигнал с измерительной 4 и компенсационной 5 обмоток равен нулю, в противном случае он имеет амплитуду и фазу, определяемые параметрами объекта исследования. Фазовый детектор 7 формирует сигнал 10, пропорциональный разности фаз между сигналом с компенсационной обмотки 5 и разностным сигналом с измерительной 4 и компенсационной 5 обмоток. Сигнал 10 поступает на вход контроллера 9, где преобразуется в цифровой код и интегрируется для усреднения результатов измерений. Результаты измерений через стандартный интерфейс связи с внешними устройствами 12 поступают на блок обработки и отображения информации.
Таким образом, заявляемый вихретоковый измеритель может быть реализован и обеспечивает повышение точности измерений.
Источники информации
1. Патент SU №932207.
2. Патент SU №832442.
3. http://www.nw-technologv.ru/catalog/time th220-230.html.
4. Журнальное обозрение «В мире неразрушающего контроля», №2 (40) июнь 2008.
5. http://www.biolight.ru/item.php?id=0007464.
6. http://www.aka-control.ru/serial ve2000.html.