ИНДУКЦИОННЫЙ ДАТЧИК Российский патент 1999 года по МПК G01R33/12 

Изобретение относится к измерительной и испытательной технике и может быть применено для измерения магнитных потоков при бесконтактных методах обнаружения дефектов в движущихся электропроводных средах.

Известно устройство по авт. св. N 201707, СССР для контроля целостности лопаток ротора турбины, включающее индукционный датчик с источником постоянного магнитного поля и измерителем сигналов ЭДС электромагнитной индукции вторичного магнитного поля, созданного вихревыми токами в лопатках ротора, где по величине отношения амплитуд каждого измеренного сигнала к амплитуде заданного сигнала в отсутствии нарушения работы ротора судят о начале разрушения, а по отношению количества измеренных сигналов за один оборот ротора к количеству его лопаток судят об их механической целостности. Указанный аналог обладает следующими недостатками: магнитная система датчиков не оптимальна, что в сложных условиях работы турбины (вибрация, высокие температуры, требования к ресурсу работы и т.п.) снижает надежность работы из-за низких измерительных сигналов.

Известно устройство дефектоскопии по авт. св. N 235328, СССР, содержащее постоянный магнит, контактирующий с ним стержнеобразный магнитопровод и охватывающую последний индикаторную обмотку, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным стержнеобразным постоянным магнитом с конусообразными полосами, установленными в полости вала турбины соосно с ним, а угол наклона образующей полюса магнита относительно плоскости торца магнитопровода выбран из условия возбуждения максимального уровня полезного сигнала в индикаторной обмотке при контактировании последнего с корпусом турбины. Этот аналог обладает теми же недостатками.

Известен индукционный датчик, содержащий измерительную катушку индуктивности, намагниченный сердечник и магнитопровод, отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности датчика магнитопровод выполнен в виде втулки из магнитомягкого материала с отношением толщины втулки к характерному поперечному размеру намагниченного сердечника - круглого или квадратного сечения, равном Δ/L = 0,15-0,30, где Δ - толщина втулки, L - характерный поперечный размер намагниченного сердечника, причем втулка жестко закреплена на намагниченном сердечнике, а измерительная катушка индуктивности размещена на втулке [1]. Это изобретение принято за прототип.

Принцип действия индукционного датчика основан на использовании законов электродинамики. Датчик измеряет электродвижущую силу (ЭДС) электромагнитной индукции вторичного магнитного поля, созданного вихревыми токами в неоднородной проводящей среде, например в лопатках ротора турбины. Вихревые токи наводятся в проводящей среде вследствие ее движения (вращения) относительно источника постоянного (первичного) магнитного поля. Этим источником поля и является намагниченный сердечник датчика.

При нарушении однородности в среде (появление трещин, сколов и т.п.) форма амплитуды сигнала датчика изменяется, что фиксируется регистрирующим устройством. Применение неподвижной относительно сердечника втулки из магнитного материала и выбор ее толщины Δ по отношению к характерному поперечному размеру сердечника L увеличивает магнитный поток в сечении измерительной катушки индуктивности, а следовательно, ЭДС электромагнитной индукции вторичного поля, что и определяет чувствительность датчика.

Недостатком прототипа является недостаточная чувствительность, что обусловлено следующим. Величина сигнала электромагнитной индукции с датчика связана не только с толщиной втулки, но и с ее длиной, которая в прототипе выбрана произвольно. Существует экстремальная зависимость амплитуды сигнала от длины втулки (см. ниже). При значительном отклонении длины втулки от оптимального значения (соответствующему наибольшей амплитуде сигнала при изменении длины втулки) чувствительность устройства может быть недостаточной для контроля состояния изделия. Таким образом, произвольный выбор длины втулки может не обеспечить необходимую для надежного контроля объекта чувствительность датчика.

Задачей изобретения является повышение чувствительности индукционного датчика. Цель достигается тем, что в индукционном датчике, содержащем измерительную катушку индуктивности, намагниченный сердечник и магнитопровод, выполненный в виде втулки из магнитомягкого материала с отношением толщины втулки к характерному поперечному размеру намагниченного сердечника, равным 0,15 - 0,3, причем втулка жестко закреплена на сердечнике, а измерительная катушка размещена на втулке. Изобретение отличается тем, что в нем отношение длины втулки к длине измерительной катушки индуктивности находится в пределах от 0,8 до 2. Новым в изобретении является оптимизация длины магнитопровода (втулки) с целью сохранения достаточной величины магнитного поля сердечника при сравнительно небольших магнитных потоках рассеяния вторичного поля. Оптимальное соотношение между длинами втулки и намагниченного сердечника дает возможность увеличить сигнал электромагнитной индукции, снимаемый с измерительной индуктивности датчика.

Принцип работы устройства показан на чертежах 1 - 4. На чертеже 1 показана схема индукционного датчика, где 1 - намагниченный сердечник; 2 - втулка из магнитомягкого материала (магнитопровод); 3 - движущаяся проводящая среда; V - скорость ее движения относительно неподвижного датчика; 4 - измерительная катушка индуктивности; 5 - силовые линии магнитного поля; N и S - полюса намагничиваемого сердечника; Δ - толщина втулки; L - поперечный размер намагниченного сердечника; l_K, l_B, l_C - длины измерительной катушки индуктивности, втулки и намагниченного сердечника соответственно; l - расстояние от проводящей среды (лопатки ротора) до индукционного датчика.

На чертеже 2 показаны графики зависимости от длины втулки индукции первичного магнитного поля /B/ датчика /сердечника с втулкой/, ЭДС индукции магнитного поля вихревых токов U^* при условии отсутствия влияния на это поле магнитопровода и ЭДС индукции магнитного поля вихревых токов с учетом этого влияния /U/. Здесь обозначено: U₀ - величина ЭДС индукции без использования в датчике втулки /l_B=0/; B₀ - индукция магнитного поля без втулки.

На чертеже 3 показана схема модели двух соленоидов для расчета индукции магнитного поля B датчика, где 1 и 2 - эквивалентные соленоиды, заменяющие соответственно намагниченный сердечник и втулку; 3 и 4 - силовые линии магнитного поля соленоидов 1 и 2 соответственно; 1 и 1' - эквивалентные токи, протекающие по соленоидам 1 и 2 соответственно; N и S - полюса соленоида 1; N' и S' - полюса соленоида 2; векторы магнитных полей, созданных соответственно соленоидами 1 и 2 в некоторой точке проводящей среды.

На чертеже 4 показаны результаты измерений ЭДС индукции вторичного магнитного поля вихревых токов при различных длинах втулки, где изображена кривая зависимости безразмерной величины ЭДС U/U₀ от длины втулки l_B и отношения l_B/l_K, где U₀ - величина ЭДС при отсутствии втулки, l_K - длина измерительной катушки индуктивности.

Устройство работает следующим образом. Магнитное поле, созданное намагниченным сердечником 1 с втулкой 2 /чертеж 1/ создает в движущейся проводящей среде 3 /например, в лопатках ротора турбины/ вихревое электрическое поле. Так как для фиксированной точки среды магнитное поле переменное, поэтому выполняется 2-е уравнение Максвелла:

где
векторы напряженности электрического поля и индукции магнитного поля.

В соответствии с законом Ома

где
плотность вихревого тока в среде 3;
γ - ее удельная электрическая проводимость, в среде возникают замкнутые вихревые токи, зависящие от свойств среды, скорости ее движения, индукции магнитного поля Вихревые токи создают собственное магнитное поле с индукцией называемое вторичным. Величина индукции этого поля подчиняется 1-му уравнению Максвелла:

где вектор электрического смещения.

Слагаемым можно пренебречь из-за сравнительно небольших частот, определяемых угловой скоростью вращения испытуемого объекта /f < 400-500 Гц/.

Переменный магнитный поток Φ′ в зоне измерительной катушки индуктивности 4 согласно закону Фарадея

создает на ее концах разность потенциалов U = ε_инд, зависящую от угловой скорости вращения (ω), удельной проводимости (γ) первичного магнитного поля удаления измерительной катушки индуктивности от лопатки /l/ и других факторов.

При использовании в устройстве магнитопровода /втулки/ магнитное поле, созданное намагниченным сердечником 1 в проводящей среде 3, уменьшается /эффект "частичного" магнитного экранирования/. При этом часть магнитных силовых линий сердечника замыкается на втулке, создавая картину поля 5, показанную на чертеже 1. Уменьшение B приводит к уменьшению E, I, и, следовательно, к уменьшению вторичного магнитного поля B'.

Однако магнитопровод уменьшает и магнитный поток рассеяния вторичного поля, что в конечном итоге приводит к увеличению ЭДС электромагнитной индукции катушки 4. В работе [1] показано, что максимальная величина ЭДС имеет место при определенной толщине втулки: Δ = (0,15÷0,3)•L.
Однако существует не только поперечный оптимальный размер втулки, но и ее продольный размер l_B. Оптимизация геометрических параметров втулки позволяет увеличить чувствительность датчика, что позволяет обнаружить более "ранние" дефекты в изделии, расширить контролируемую зону. Это в свою очередь увеличивает надежность контроля объекта.

Возможность оптимизации длины втулки следует из существования экстремальной зависимости ЭДС электромагнитной индукции от длины втулки l_B.

Представим себе, что магнитопровод /втулка/ не влияет на величину первичного магнитного поля и вихревые токи, а следовательно, и вторичное магнитное поле, не зависят от геометрических параметров втулки Δ и l_B /пусть, например, имеется дополнительный источник магнитного поля, компенсирующий "потерю" первичного поля за счет применения магнитопровода/. Измеряемая на концах измерительной катушки индуктивности ЭДС электромагнитной индукции U^* будет увеличиваться при увеличении длины втулки за счет уменьшения магнитного потока рассеяния вторичного поля. Это увеличение U^* имеет характер кривой с насыщением, так как при достаточно большой длине l_B магнитный поток рассеяния становится очень малым /практически все силовые линии вторичного поля оказываются "втянутыми" магнитопроводом в измерительную катушку/. На чертеже 2 показана кривая зависимости U^* от длины втулки l_B, имеющая характер насыщения, а величина ЭДС с учетом реального уменьшения магнитного поля /U/ пропорциональна значениям U^*: U ~ U^*.

С другой стороны, при увеличении длины втулки магнитное поле, созданное намагниченным сердечником с втулкой, уменьшается и при увеличении толщины втулки Δ [1].

Поэтому зависимость B (l_B) носит падающий характер, показанный на чертеже 2 соответствующей кривой, а U ~ B,
т. к. при уменьшении первичного поля уменьшаются вихревые токи в проводящей среде, вторичное магнитное поле и магнитный поток в сечении измерительной катушки, и, следовательно, ЭДС электромагнитной индукции вторичного поля.

С учетом /5/ и /6/ можно записать:
U = K • U^* • B,
где
K - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность 1/Тл и зависящий от геометрических параметров датчика, удельной проводимости проводящей движущейся среды и скорости ее движения.

Из свойств функции /7/ следует, что зависимость U(l_B) носит экстремальный характер, причем максимум этой функции соответствует точке пересечения графиков U^*(l_B) и B(l_B). Соответствующая кривая U(l_B), построенная путем их перемножения, указана на чертеже 2.

Характер изменения величины B при изменении l_B можно оценить путем эквивалентной замены намагниченного сердечника и втулки, соленоидами 1 и 2 /чертеж 3/. Исходя из картины магнитного поля, показанной на чертеже 1, следует, что по этим соленоидам должны протекать фиктивные токи 1 и 1' в противоположных направлениях так, чтобы соответствующие магнитные полюса в левом крайнем сечении соленоида были противоположны. При этом силовые линии магнитных полей, созданные токами 1 и 1', должны быть направлены навстречу друг другу /3 и 4 на чертеже 2/.

Индукция магнитного поля, созданная однослойным соленоидом с током 1, определяется по формуле

где
μ - относительная магнитная проницаемость среды в точке наблюдения;
n - число витков на единицу длины;
α₁, α₂ - углы между осью соленоида и лучом, проведенным из точки наблюдения в крайние точки соленоида.

Считая, что Δ ≪ L, косинусы углов для соленоидов 1 и 2 можно записать так:



Здесь геометрические размеры l, l_B, l_c, L показаны на чертеже 1. При этом под расстоянием l будем понимать расстояние от левого сечения соленоидов 1 и 2 /торца датчика/ до любой точки в проводящей среде /точка наблюдения/.

Согласно принципу суперпозиции индукция первичного магнитного поля в точке наблюдения равна:

где B₁ и B₂ - индукция полей, созданных соленоидами 1 и 2 и определяемых в соответствии с выражениями /8-11/.

Так как эти векторы имеют противоположные направления, то
B = B₁ - B₂
Величины фиктивных токов могут быть определены или расчетным путем [2] или путем эксперимента по измерению индукции в торцевой части намагниченного сердечника с магнитопроводом и без него.

В МИРЭА были проведены расчеты магнитных полей. Результаты расчета соответствуют кривой изменения B (l_B), показанной на чертеже 2, причем при l_B > (1/2 + 1/3)l_K зависимость B(l_B) практически линейная.

Для более точных расчетов магнитных полей могут быть использованы формулы, приведенные в [3].

С целью оптимизации магнитной системы датчика и определения оптимальной длины втулки - магнитопровода в МИРЭА были проведены экспериментальные исследования влияния этого параметра (l_B) на величину ЭДС индукции вторичного магнитного поля, созданного вихревыми токами в лопатках ротора модели турбины. Схема датчика показана на чертеже 1, а некоторые результаты экспериментов - на чертеже 4.

Эксперименты проводились на нескольких моделях турбины. Угловая частота вращения изменялась от 50 до 400 об/с. Радиус вращения рабочего колеса модели турбины - 45 мм, удаление лопаток турбины от рабочего торца датчика составляло l = 10 мм. ЭДС индукции U измерялась с помощью цифрового вольтметра Ф 4372, форма сигнала наблюдалась с помощью осциллографа Cl-70.

При исследованиях использовались как круглые, так и квадратные сечения намагниченных сердечников длиной от 35 до 100 мм. Марка сплава, из которого изготовлены сердечники ЮНДК - 35 Т. Диаметр сердечника круглого сечения - 12 мм, сторона квадрата сечения - 10 мм.

Для экспериментов использовались втулки из магнитомягких материалов: сталь Э 310, сталь 3, а также пермаллой 79 НМ. Толщина втулок изменялась от 1 до 4 мм /использовались результаты оптимизации поперечного размера втулки, [1]/. Длина втулки изменялась от 0 до 100 мм.

Геометрические параметры измерительной катушки индуктивности не изменялись, кроме ее длины: l_K = 5,9 и 20 мм. Число витков катушек - 3000, диаметр провода - 0,065 мм.

Геометрические параметры индукционного датчика, результаты испытания которого показаны на чертеже 4:
L = 12 мм /круглое сечение/
Δ = 1,5 мм
l_K = 9 мм
l_C = 35 мм
Из графика, приведенного на чертеже 4, видно, что оптимальная длина втулки
l_Bопт. = 12,5 мм.

Соответственно
l_Bопт/l_k = 1,4.

При этом оптимизация длины втулки позволила увеличить чувствительность датчика на 38% при Δ = Δ_опт = 1,5 мм.
Результаты экспериментального исследования показали, что наибольшую чувствительность индукционного датчика можно получить при выборе длины втулки в пределах от 0,8 до 2 от длины измерительной катушки индуктивности, что также подтверждается проведенными оценочными расчетами магнитных полей и ЭДС электромагнитной индукции. Разброс оптимальной длины втулки обусловлен неизбежными различными коэффициентами "K" в выражении /7/ при изменении геометрических параметров датчика. При этом возможная ошибка в определении истинной оптимальной длины втулки в указанном интервале относительных ее длин /0,8 - 2/ не приведет к уменьшению чувствительности датчика более чем на 5-7%. Эти данные также подтверждены экспериментами.

Преимущества заявленного устройства по сравнению с прототипом:
- индукционный датчик с оптимальной длиной втулки-магнитопровода обладает большей чувствительностью. Путем оптимального выбора длины втулки чувствительность можно увеличить на 40%;
- увеличение чувствительности датчика позволяет увеличить его надежность, а также надежность работы системы контроля изделия, на котором устанавливается датчик;
- увеличение чувствительности датчика позволяет охватить больший диапазон возможных нарушений механической целостности лопаток ротора турбины и тем самым предотвратить возможное разрушение дорогостоящих изделий;
- при использовании коротких измерительных катушек индуктивности можно также уменьшить массу датчика за счет уменьшения длины втулки по сравнению с длиной намагниченного сердечника.

Следует также отметить простоту реализации предложенного технического решения.

На основе изложенного предложенное устройство обладает экономическим эффектом и имеет промышленную полезность.

Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР N 1372260, G 01 R 33/12.

2. И.В.Савельев. - Курс общей физики. - т.11, Изд. "Наука", М., 1982.

3. K.Foelsh, Arch. Electrot., Bd 30, H.3, 1936, 139-157.

Изобретение относится к испытательной технике контроля и может быть использовано при испытаниях и эксплуатации энергетических установок, при контроле рабочих режимов турбин, двигателей и компрессоров. В работе определяются механические дефекты в лопатках ротора вращающейся турбины на основе создания вихревых токов в них, зависящих от механической целостности лопатки. Величина вихревых токов зависит от геометрических параметров магнитопровода(втулки) датчика - его длины и толщины, от длины измерительной катушки. Увеличение чувствительности индукционного датчика достигается за счет оптимизации выбора отношения длины втулки к длине измерительной катушки, которое находится в пределах от 0,8 до 2. 4 ил.

Индукционный датчик, содержащий измерительную катушку индуктивности, намагниченный сердечник и магнитопровод, выполненный в виде втулки из магнитно-мягкого материала с отношением толщины втулки к характерному поперечному размеру намагниченного сердечника, равным 0,15 - 0,30, причем втулка жестко закреплена на сердечнике, а измерительная катушка размещена на втулке, отличающийся тем, что в нем отношение длины втулки к длине измерительной катушки индуктивности находится в пределах от 0,8 до 2.