ТОКОВИХРЕВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК G01B7/02 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для неразрушающего контроля электропроводящих и/или ферромагнитных материалов и изделий (измерение расстояния до поверхности, толщины листов и покрытий, размеров изделий, дефектоскопии).

Известны токовихревые преобразователи, описанные в книге А.Л. Дорофеев, А. И. Никитин, А.Л. Рубин. Индукционная толщинометрия. - М.: Энергия, 1978. На с. 102-103 описан резонансный толщиномер ТВР, в котором переменное напряжение подается на два параллельных резонансных контура, в один из которых включена измерительная (рабочая) катушка токовихревого преобразователя, а в другой - дополнительная (компенсационная) катушка. После детектирования разностного сигнала с контуров он подается на дифференциальный усилитель.

На с. 144-145 описан прибор ТПН-П, куда входит токовихревой преобразователь с измерительной катушкой, намотанной на ферритовом стержне и включенной по той же схеме, что и в приборе ТВР. Наличие феррита ухудшает термостабильность устройства, так как ферриты имеют большой температурный коэффициент магнитной проницаемости. Общим недостатком указанных устройств является то, что измерительная и дополнительная (компенсационная) обмотки находятся в различных физических условиях, что не позволяет компенсировать погрешности от их изменения. Кроме того, для дальнейшего преобразования измерительного сигнала применяется дифференциальный усилитель, что усложняет аппаратуру и увеличивает ее стоимость.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является токовихревой преобразователь, описанный в проспекте фирмы Kaman Instrumentation (США) "The Measuring Solution Handbook", 1999, c.6 (см. также с.4 и 5) и содержащие две одинаковые измерительные катушки, два конденсатора и два резистивных элемента (резистора). Каждая измерительная катушка шунтирована конденсатором, с которым она образует параллельный резонансный контур. Оба таких контура включены в смежные плечи моста, другие два плеча которого составляют резистивные элементы. Общая точка катушек заземлена, а на общую точку резистивных элементов подается переменное напряжение. Выходной сигнал схемы снимается с общих точек резисторов и катушек.

Недостатками данного устройства являются следующие. Компенсация температурной нестабильности возможна только при сбалансированном мосте, т.е. только при фиксированном положении объекта контроля и неизменной величине его электромагнитных параметров (электропроводности, магнитной проницаемости).

Неполная идентичность катушек и наличие разброса параметров схемных элементов затрудняет подбор конденсаторов для резонансных контуров и резисторов для уравновешивания моста. При этом полная балансировка практически невозможна из-за того, что плечи моста образованы разнородными элементами: даже когда мост уравновешен по амплитуде остается фазовый сдвиг, который при фазочувствительной демодуляции приводит к погрешности "нуля", снижению разрешающей и температурной нестабильности выходного сигнала. Нарушение баланса моста происходит также в процессе измерений при несимметричном влиянии объекта контроля на измерительные катушки. Кроме того, для дальнейшего преобразования измерительного сигнала необходим дифференциальный (инструментальный) усилитель, что усложняет измерительную аппаратуру в целом и повышает ее стоимость.

Предлагаемое изобретение позволяет в значительной мере устранить указанные недостатки. Для достижения технического результата токовихревой преобразователь содержит две одинаковые измерительные катушки и дополнительную катушку, конденсатор, резистивный элемент и операционный усилитель, а также дополнительный конденсатор. Резистивный элемент выполнен в виде потенциометра, средняя точка которого через конденсатор соединена с инвертирующим входом операционного усилителя, не инвертирующий вход которого заземлен; дополнительная катушка включена последовательно и согласно между первыми выводами измерительных катушек, соединенными также с отводами потенциометра; на вторые выводы измерительных катушек в противофазе подается переменное напряжение, а выходом схемы является выход операционного усилителя. Импеданс дополнительной катушки значительно больше - не менее чем в 7-9 раз - импеданса измерительной катушки, добротности всех трех катушек одинаковы. Катушки выполнены на одном каркасе и расположены одна за другой так, что дополнительная катушка находится между измерительными катушками. Электрические параметры измерительных катушек, потенциометра, конденсатора, операционного усилителя и дополнительного конденсатора выбраны так, что при отсутствии объекта контроля каждая измерительная катушка, соединенная с ней секция потенциометра, конденсатор, операционный усилитель и дополнительный конденсатор образуют последовательный резонансный контур с добротностью порядка 10.

На фиг.1 показана схема включения токовихревого преобразователя, на фиг. 2 - варианты его расположения относительно объекта контроля.

Резистивный элемент выполнен в виде потенциометра 1, средний вывод которого через конденсатор 2 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 3, не инвертирующий вход которого заземлен; дополнительная катушка 4 включена последовательно и согласно между первыми выводами измерительных катушек 5, соединенными также с выводами потенциометра 1; на вторые выводы измерительных катушек 5 в противофазе (с противоположными знаками) подается переменное напряжение, а выходом схемы является выход операционного усилителя 3; дополнительный конденсатор 6 может быть включен между средним выводом потенциометра 1 и выходом операционного усилителя 3. Электрические параметры измерительных катушек 5, потенциометра 1, конденсаторов 2 и 6 и операционного усилителя 3 выбраны так, что при отсутствии объекта контроля 7 измерительная катушка 5, соединенная с ней секция потенциометра 1, конденсатор 2, операционный усилитель 3 и дополнительный конденсатор 6 образуют последовательный резонансный контур с добротностью порядка 10.

Катушки 4 и 5 выполнены так, что импеданс дополнительной катушки 4 значительно больше - не менее чем в 7-9 раз - импеданса каждой измерительной катушки 5, а добротности всех трех катушек одинаковы при отсутствии объекта измерения. Катушки 4 и 5 выполнены на одном каркасе и расположены одна за другой так, что дополнительная катушка 4 находится между измерительными катушками 5. Конструктивно токовихревой преобразователь может быть выполнен в виде двух частей, одна из которых содержит первую измерительную катушку, а другая часть содержит вторую измерительную и дополнительную катушки, выполненные на одном каркасе и расположенные на одном каркасе одна за другой так, что измерительная катушка находится ближе к объекту контроля в направлении оси катушек. Катушки 4 и 5 могут выполняться по интегральной технологии методом напыления электропроводящего слоя на поверхность каркаса из изолирующего материала с последующим маскированием посредством лазера.

При расположении токовихревого преобразователя вне объекта контроля 7 (фиг. 2а, б, д) или внутри него (фиг.2в) максимальный поперечный размер (диаметр) дополнительной катушки 4 выбирается так, чтобы его половина (радиус катушки) не превосходила наименьшего возможного расстояния от объекта контроля до дополнительной катушки в направлении ее оси, а при расположении объекта контроля 7 внутри токовихревого преобразователя (фиг.2г) его положение и длина катушек 4 и 5 выбираются так, чтобы объект контроля с учетом его возможных перемещений и изменения длины оставался внутри дополнительной катушки или чтобы общая длина катушек не превосходила длины объекта контроля в направлении оси катушек.

Устройство работает следующим образом. При подаче в противофазе на выводы измерительных катушек переменного напряжения амплитудой U ток в катушках определяется выражением

где Z₁, Z₂, Z₃ - импедансы соответственно измерительных и дополнительной катушек 5 и 4. Импеданс Z₃ дополнительной катушки 4 значительно больше импедансов измерительных катушек 5, поэтому можно считать Z₁+Z₂+Z₃≈Z₃, так что
I=2U/Z₃. (2)
Напряжения в точках А и В схемы (фиг.1)


Тогда выходное напряжение U_вых (напряжение на выходе операционного усилителя 3):


(6)
где k_A, k_B - коэффициенты передачи по входам А и В, R_oc - сопротивление обратной связи операционного усилителя 3, R_A и R_B - сопротивления секций потенциометра 1, соединенных с точками А и В.

Импеданс каждой катушки можно выразить через ее добротность Q:

Добротности всех трех катушек при отсутствии объекта контроля 7 подбираются равными: Q₁=Q₂=Q₃, поэтому

и выражение (5) принимает вид:

При одинаковых сопротивлениях R₁= R₂ U_вых=0, когда k_А=k_В, т.е. R_A=R_B. Однако даже если измерительные катушки 5 не абсолютно идентичны, т.е. R₁≠R₂, можно выставить на выходе схемы нуль, с помощью потенциометра 1 регулируя сопротивления R_A и R_B его секций, а значит и коэффициенты передачи k_А и k_В. При этом выходной сигнал будет нулевым не только по амплитуде, но и по фазе, что повышает разрешающую способность схемы.

При отклонении температурных условий от номинальных активные сопротивления катушек 4 и 5 изменяются по закону
R(t)=[1+α(t-t₀)], (10)
где t - температура провода катушки, R₀ - ее сопротивление при номинальной температуре t₀, α - температурный коэффициент сопротивления. Подставив (10) в (9), получим

откуда видно, что при отсутствии объекта контроля выходной сигнал схемы не зависит от изменения температуры. Выражение (11) сохраняет силу и при симметричном (одинаковом) воздействии объекта контроля на измерительные катушки. Если объект контроля по-разному влияет на измерительные катушки или воздействует только на одну из них, то выражение для U_вых имеет вид (5), где импеданс каждой измерительной катушки можно представить как сумму собственного Z₀ и вносимого ΔZ импедансов:
Z₁=Z₁₀+ΔZ₁, Z₂=Z₂₀+ΔZ₂, (12)
Тогда, полагая Z₁₀=Z₂₀ и соответственно k_A=k_B=k, получаем из (5):

т. е. выходное напряжение не зависит от начальных (собственных) импедансов измерительных катушек. Это равносильно компенсации аддитивной составляющей температурной и вообще дополнительной погрешности, так как обе измерительные катушки находятся в одинаковых физических условиях, изменение которых в равной степени сказывается на их импедансах, не изменяя, однако, равенства Z₁₀=Z₂₀.

Наличие в (12) отношений ΔZ₁/Z₃ и ΔZ₂/Z₃, обусловлено логометрической схемой включения измерительных катушек и дополнительной катушки. Это позволяет в значительной мере компенсировать также мультипликативную составляющую дополнительной (температурной) погрешности, так как все катушки находятся в одинаковых физических условиях, а импедансы ΔZ и Z₃ имеют аналогичный активно-индуктивный характер.

Наличие в схеме дифференциально включенных резонансных контуров с высокой добротностью обеспечивает высокую чувствительность при изменении импедансов измерительных катушек. При этом увеличивается также помехозащищенность схемы, так как каждый последовательный резонансный контур выполняет роль полосового фильтра, подавляющего низкочастотные помехи. Включение дополнительного конденсатора позволят увеличить добротность контуров.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для неразрушающего контроля электропроводящих и ферроромагнитных материалов. Технический результат изобретения, заключающийся в повышении точности измерений и разрешающей способности токовихревого преобразователя, достигается путем того, что токовихревой преобразователь, содержащий две одинаковые измерительные катушки, конденсатор, содержит дополнительную катушку и операционный усилитель, а резистивный элемент выполнен в виде потенциометра, средний вывод которого через конденсатор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, не инвертирующий вход которого заземлен; дополнительная катушка включена последовательно и согласно между первыми выводами измерительных катушек, соединенными также с выводами потенциометра; на вторые выводы измерительных катушек в противофазе подается переменное напряжение, а выходом является выход операционного усилителя. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Токовихревой преобразователь, содержащий две одинаковые измерительные катушки, конденсатор, резистивный элемент, отличающийся тем, что содержит дополнительную катушку и операционный усилитель, а резистивный элемент выполнен в виде потенциометра, средний вывод которого через конденсатор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого заземлен; дополнительная катушка включена последовательно и согласно между первыми выводами измерительных катушек, соединенными также с выводами потенциометра; на вторые выводы измерительных катушек в противофазе подается переменное напряжение, а выходом является выход операционного усилителя. 2. Токовихревой преобразователь по п.1, отличающийся тем, что импеданс дополнительной катушки значительно больше импеданса каждой измерительной катушки. 3. Токовихревой преобразователь по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что добротности всех трех катушек одинаковы при отсутствии объекта контроля. 4. Токовихревой преобразователь по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что катушки выполнены на одном каркасе и расположены одна за другой так, что дополнительная катушка находится между измерительными катушками
5. Токовихревой преобразователь по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что конструктивно он выполнен в виде двух частей, одна из которых содержит первую измерительную катушку, а другая часть содержит вторую измерительную и дополнительную катушки, выполненные на одном каркасе и расположенные одна за другой так, что измерительная катушка находится ближе к объекту контроля в направлении оси катушек. 6. Токовихревой преобразователь по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что катушки выполнены напылением электропроводящего слоя на поверхность каркаса из изолирующего материала с последующим маскированием посредством лазера. 7. Токовихревой преобразователь по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что при расположении токовихревого преобразователя вне объекта контроля или внутри него максимальный поперечный размер дополнительной катушки выбран так, чтобы его половина не превосходила наименьшего возможного расстояния от объекта контроля до дополнительной катушки в направлении ее оси, а при расположении объекта контроля внутри токовихревого преобразователя его положение и длины измерительных катушек и дополнительной катушки выбраны так, чтобы объект контроля с учетом его возможных перемещений и изменения длины оставался внутри дополнительной катушки или чтобы общая длина катушек не превосходила длины объекта контроля в направлении оси катушек. 8. Токовихревой преобразователь по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что содержит дополнительный конденсатор, включенный между средним выводом потенциометра и выходом операционного усилителя. 9. Токовихревой преобразователь по п.8, отличающийся тем, что электрические параметры измерительных катушек, потенциометра, конденсатора, операционного усилителя и дополнительного конденсатора выбраны так, что при отсутствии объекта контроля каждая измерительная катушка, соединенная с ней секция потенциометра, конденсатор, операционный усилитель и дополнительный конденсатор образуют последовательный резонансный контур с добротностью порядка 10. 10. Токовихревой преобразователь по п.8, отличающийся тем, что электрические параметры измерительных катушек, потенциометра, конденсатора, операционного усилителя и дополнительного конденсатора выбраны так, что при отсутствии объекта контроля каждая измерительная катушка, соединенная с ней секция потенциометра, конденсатор, операционный усилитель и дополнительный конденсатор образуют последовательный резонансный контур с добротностью порядка 10.