СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ Российский патент 2021 года по МПК G01B7/06 G01B7/14 G01N27/90 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам электрических измерений неэлектрических величин и может быть использовано для измерения перемещений и вибрации электропроводящих объектов, обнаружения поверхностных дефектов металлических объектов, измерения толщины диэлектрических покрытий на электропроводном основании, определения состава вещества объекта, оценки толщины металлизации на диэлектрическом основании, в качестве датчика наличия проводящего объекта, датчика оборотов и фазы, как бесконтактный выключатель и т.д. [G01N 27/90; G01B 7/14; G01H 11/00].

Из уровня техники известен СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ [RU 2185617, опубл.: 20.07.2002], основанный на использовании вихретокового преобразователя 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, отличающийся тем, что в качестве источника питания используют источник постоянного стабильного тока, который подключают к параллельному колебательному контуру и отключают от него 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.

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. Кроме того, переходные процессы, возникающие в электрических цепях при импульсном возбуждении контура, приводят к искажению основных колебаний и увеличивают погрешность измерений.

Наиболее близким по технической сущности является СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ [Инструкция по обслуживанию преобразователя вихревого тока 3300 фирмы Bently Nevada Corporation», USA, Nevada, 1989], заключающийся в том, что вихретоковый преобразователь перемещений в виде радиочастотного контура устанавливают в зоне контроля, формируют высокочастотные колебания в контуре при помощи автогенератора, переменное напряжение которых преобразуют в пропорциональный измеряемому параметру сигнал постоянного тока, по величине которого судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта.

Основной технической проблемой прототипа является высокие временная и температурная нестабильности и недостаточная точность измерений, характерные для всех способов, использующих автогенерацию на LC-контуре, и повышенное энергопотребление, что вызывает необходимость принятия специальных защитных мер при установке вихретокового датчика во взрывоопасных зонах.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности результатов измерений физико-механических параметров электропроводящих объектов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ вихретокового измерения физико-механических параметров, заключающийся в том, что вихретоковый преобразователь, выполненный в виде радиочастотного контура, размещают в зоне контроля, формируют в упомянутом контуре высокочастотные колебания, переменное напряжение которых преобразуют в пропорциональный измеряемому параметру сигнал постоянного тока, по величине сигнала судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта, отличающийся тем, что высокочастотные колебания синусоидальной формы в радиочастотном контуре формируют, подавая с внешнего генератора через высокоомный импеданс на радиочастотный контур вихретокового преобразователя высокочастотные колебания произвольной формы с высокостабильными амплитудой и частотой, полученные с контура высокочастотные колебания усиливают, детектируют, пропускают через фильтр низких частот, по величине полученного постоянного напряжения определяют степень активных потерь в материале и судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта.

В частности, в качестве высокоомного импеданса используют стабильную емкость, реактивное сопротивление которой на резонансной частоте радиочастотного контура на порядок больше сопротивления упомянутого контура.

В частности, величину полезного сигнала на выходе вихретокового датчика определяют добротностью радиочастотного контура Q и коэффициентом заполнения катушки k.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 показана структурная схема вихретокового преобразователя.

На фиг. 2 приведены эпюры выходного напряжения на выходе высокочастотного генератора.

На фиг. 3 приведены эпюры напряжения на контуре вихретокового датчика.

На фиг. 4 приведены эпюры напряжения на выходе усилителя-ограничителя.

На фиг. 5 приведены эпюры напряжения на выходе низкочастотного фильтра.

На фигурах обозначено: 1 - источник питания, 2 - высокочастотный генератор, 3 - высокоомный импеданс, 4 - вихретоковый датчик, 5 - усилитель-ограничитель, 6 - низкочастотный фильтр, 7 - усилитель-формирователь уровней, 8 - аналого-цифровой преобразователь, 9 - арифметико-логическое устройство, 10 - цифро-аналоговый преобразователь, 11 - катушка индуктивности.

Осуществление изобретения.

Вихретоковый контроль - один из методов неразрушающего контроля объектов из токопроводящих материалов, основанный на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в объекте контроля этим полем.

Вихретоковый преобразователь - устройство, состоящее из одной или нескольких индуктивных отметок, предназначенных для возбуждения в объекте контроля вихревых токов и преобразования зависящего от параметров объекта электромагнитного поля в сигнал преобразователя.

Сигнал вихретокового преобразователя - сигнал (э.д.с, напряжение или сопротивление преобразователя), несущий информацию о параметрах объекта контроля и обусловленный взаимодействием электромагнитного поля преобразователя с объектом контроля.

Добротность колебательного контура Q - характеристика, определяющая амплитуду и ширину амплитудно-частотной характеристики резонанса и показывающая, во сколько раз запасы энергии в контуре больше, чем потери энергии за один период колебаний.

Вихретоковый преобразователь, реализующий заявленный способ вихретокового измерения физико-механических параметров содержит источник питания 1 (см. Фиг. 1), выполненный в виде высокостабильного источника питания. К питающим выходам источника питания 1 подключен высокочастотный генератор 2. Выход упомянутого генератора 2 подключен на вход высокоомного импеданса 3, выход которого соединен с параллельным резонансным LC-контуром, образующим вихретоковый датчик 4 и усилителем-ограничителем 5.

Высокоомный импеданс 3 выполнен в виде термостабильного конденсатора с нулевым температурным коэффициентом емкости.

Вихретоковый датчик 4 состоит из катушки индуктивности 11, соединительного радиочастотного кабеля и емкости, которые образуют колебательный контур, при этом катушка индуктивности намотана на торце диэлектрической шпильки, выполненной из полимера с низким температурным коэффициентом линейного расширения.

Усилитель-ограничитель 5 выполнен на высокочастотном быстродействующем операционном усилителе, функционирующем с входными и выходными сигналами в режиме «от питания до питания» и представляет собой усилитель, работающий в режиме с отсечкой отрицательных полуволн синусоидального напряжения.

Выход усилителя-ограничителя 5 соединен со входом низкочастотного фильтра 6.

Выход низкочастотного фильтра 6 подключен ко входу усилителя-формирователя 7, выход которого, соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 8. Выход аналого-цифрового преобразователя 8 через арифметико-логическое устройство 9 соединен с цифро-аналоговым преобразователем 10.

Высокочастотный генератор 2, аналого-цифровой преобразователь 8, арифметико-логическое устройство 9 и цифро-аналоговый преобразователь 10 выполнены на одном микроконтроллере.

Вихретоковое измерение физико-механических параметров осуществляют следующим образом.

Сгенерированное в высокочастотном генераторе 2 переменное напряжение прямоугольной формы (см. Фиг. 2), амплитуда которого постоянна и равна напряжению питания упомянутого генератора 2, а частота колебаний стабилизирована резонатором (на фигурах не показан) с высокой температурной стабильностью, подают через высокоомный импеданс 3 на вихретоковый датчик 4 с индуктивностью L₀ и емкостью C₀.

Добротность вихретокового датчика 4 определяют как:

Q = C₀R₀ω,

где ω=1/√L₀C₀ - резонансная частота, а R₀ - эквивалентное параллельное сопротивление потерь:

R₀ = (ω L₀)²/r = rQ²,

где r - последовательное сопротивление катушки индуктивности.

Потери в конденсаторе не учитывают вследствие их малости.

Благодаря высокой добротности контура Q вихретокового датчика 4 на его контуре формируют напряжение синусоидальной формы (см. Фиг. 3).

Вихретоковый датчик 4 приближают к контролируемой металлической поверхности. Изменение проводимости, вызванное приближением катушки индуктивности 11 вихретокового датчика 4 к металлической поверхности, вызывает максимальное, за счет высокоомного импеданса 3 с внутренним сопротивлением превышающем резонансное сопротивление вихретокового датчика 4, изменение амплитуды напряжения на контуре вихретокового датчика 4.

Индуктивность катушки индуктивности 11 с учетом влияния магнитной восприимчивости χ металлического объекта, находящегося вблизи катушки индуктивности 11 контура определяют как:

L=L₀(1+4πχk),

где k - коэффициент заполнения, определяемый как отношение энергии радиочастотного поля, которая сосредоточена в объеме металлического объекта, к полной энергии радиочастотного поля.

Для проводимости параллельного резонансного контура вихретокового датчика 4 получают выражение:

Так как k << 1, и, если |4πχ|<1, то выражение для проводимости параллельного контура принимает вид:

где R₀ - эквивалентное сопротивление параллельного контура в отсутствие металлической поверхности.

Напряжение на контуре вихретокового датчика 4 при резонансе в отсутствии металлического объекта равно:

U₀=IR₀

Падение напряжения на контуре вихретокового датчика 4 определяют как:

U=IR, где R = 1/σ.

Стальная пластина приводит, в основном, к существенному изменению добротности контура Q вихретокового датчика 4, при этом резонансная частота контура меняется незначительно. Исходя из этого регистрируемое изменение напряжения сигнала на контуре определяют как:

Таким образом, величину полезного сигнала на выходе вихретокового датчика 4 определяют добротностью контура Q и коэффициентом заполнения катушки k, то есть расстоянием до металлической пластины:

Далее, напряжение U₁ на выходе с контура вихретокового датчика 4 усиливают и детектируют усилителем-ограничителем 7.

Продетектированные полуволны (см.Фиг. 4) пропускают через низкочастотный фильтр 6, причем постоянную заряда t₃ упомянутого фильтра 6 выбирают так, чтобы t₃ << T, где T - период колебаний, а постоянная разряда фильтра находится в следующем соотношении T ≤ t_раз. < T_min, где T_min - минимальное время повторения измерений.

Полученное на выходе низкочастотного фильтра 6 постоянное по величине напряжение (см. Фиг. 5) усиливают и формируют необходимые значения напряжений на усилителе-формирователе уровней 7. Полученный сигнал измеряют в аналого-цифровом преобразователе 8, линеаризуют в арифметико-логическом устройстве 9, переводят вновь в аналоговую форму с помощью цифро-аналогового преобразователя 10 и подают на выход. По величине выходного сигнала определяют степень активных потерь в материале объекта, а по ним, соответственно, расстояние до объекта, степень чистоты поверхности и другие физико-механические параметры.

Вихретоковый перобразователь, изготовленный в 2019 году в соответствии с приведенным выше описанием обеспечил высокую температурную стабильность и чувствительность измерений за счет существенного увеличения стабильности амплитуды и частоты колебаний высокодобротного LC-контура вихретокового датчика 4, обусловленных соединением упомянутого датчика 4 с высокочастотным генератором 2, имеющим высокую долговременную стабильность амплитуды выходного напряжения через высокоомный импеданс 3, сопротивлением, значительно превышающим сопротивление вихретокового датчика 4 и усилением с отсечкой отрицательных полуволн синусоидального напряжения, полученного на выходе вихретокового датчика 4 высокочастотным быстродействующим усилителем-ограничителем 5 с последующей фильтрацией сигнала низкочастотным фильтром 6 и формированием усилителем-формирователем уровней 7 напряжений, обеспечивающих оптимальный режим работы аналого-цифрового преобразователя 8, преобразующего сигнал для последующей линеаризации в цифровом арифметическом логическом блоке 9 и обратного преобразования в аналоговую форму цифро-аналоговым преобразователем 10 для отображения результатов измерений.

Линеаризация проводилась для расстояний 0,25-2,75 мм до поверхности стального диска, выполненного из стали марки 40х.

Линеаризация проведена для расстояний 0,25…2,75 мм до поверхности стального диска, выполненного из стали марки 40х. В результате измерений, проведенных описанным способом, при котором формируют постоянным импульсным напряжением поданным через высокоомный импеданс высокочастотные колебания в контуре вихретокового датчика 4, формируют в упомянутом контуре высокочастотные колебания синусоидальной формы, размещают вихретоковый датчик 4 в зоне контроля, определяют величину изменения напряжение сигнала на контуре, вызванное изменением индуктивности катушки индуктивности 11 контура, полученный с контура сигнал усиливают, детектируют и пропускают через фильтр, получена линейная зависимость напряжения выходного полезного сигнала U_i от величины зазора между вихретоковым датчиком 4 и стальным диском с погрешностью ±5 микрон, а погрешность измерения расстояний в диапазоне температур вихретокового датчика 4 -60 - +125 градусов Цельсия составила не более 50 микрон, обусловленная температурным дрейфом катушки индуктивности 11 вихретокового датчика 4 и потерями на вихревые токи в металле контролируемого объекта, электрическое сопротивление которого зависит от температуры. Температурный дрейф измерения расстояний, обусловленный электронной схемой в диапазоне температур -40 - +85 градусов Цельсия, без учета дрейфа потерь катушки индуктивности 11 вихретокового датчика 4 и металлического объекта составил не более 10 мкм.

Таким образом, за счет повышения временной и температурной стабильности и чувствительности измерений физико-механических параметров электропроводящих объектов решена задача, на которую направлено изобретение - повышение класса точности измерений.

Изобретение может быть использовано для измерения перемещений и вибрации электропроводящих объектов, обнаружения поверхностных дефектов, измерения толщины диэлектрических покрытий на электропроводном основании. Способ вихретокового измерения физико-механических параметров заключается в том, что вихретоковый преобразователь, выполненный в виде радиочастотного контура, размещают в зоне контроля, формируют в упомянутом контуре высокочастотные колебания, переменное напряжение которых преобразуют в пропорциональный измеряемому параметру сигнал постоянного тока, при этом высокочастотные колебания синусоидальной формы в радиочастотном контуре формируют, подавая с внешнего генератора через высокоомный импеданс на радиочастотный контур вихретокового преобразователя высокочастотные колебания произвольной формы с высокостабильными амплитудой и частотой, полученные с контура высокочастотные колебания усиливают, детектируют, пропускают через фильтр низких частот, по величине полученного постоянного напряжения определяют степень активных потерь в материале и судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта. Техническим результатом является повышение точности результатов измерений. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ вихретокового измерения физико-механических параметров, заключающийся в том, что вихретоковый преобразователь, выполненный в виде радиочастотного контура, размещают в зоне контроля, формируют в упомянутом контуре высокочастотные колебания, переменное напряжение которых преобразуют в пропорциональный измеряемому параметру сигнал постоянного тока, по величине сигнала судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта, отличающийся тем, что высокочастотные колебания синусоидальной формы в радиочастотном контуре формируют, подавая с внешнего генератора через высокоомный импеданс на радиочастотный контур вихретокового преобразователя высокочастотные колебания произвольной формы с высокостабильными амплитудой и частотой, полученные с контура высокочастотные колебания усиливают, детектируют, пропускают через фильтр низких частот, по величине полученного постоянного напряжения определяют степень активных потерь в материале и судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве высокоомного импеданса используют стабильную емкость, реактивное сопротивление которой на резонансной частоте радиочастотного контура на порядок больше сопротивления упомянутого контура.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину полезного сигнала на выходе вихретокового датчика определяют добротностью радиочастотного контура Q и коэффициентом заполнения катушки k.