Электромагнитный датчик для контроля металлических изделий Советский патент 1984 года по МПК B21B38/00 

ЭР

:о: О

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ, содержащий корпус, разомкнутый магнитопровод с расположенными на нем встречно соединенными возбуждающей и компенсационной обмотками, подсоединенными к входу усилителя, измерительную обмотку, отличающийся т ем, что, с целью повышения чувствительности и надежности в работе датчика, измерительная обмотка расположена между полюсами магнитопровода, причем ее ось ориентирована параллельно оси основания магнитопровода, боковые стенки корпуса выполнены двухслойными, при этом внутренний слой выполнен из немаг.нитного металла с высокой электропроводностью, а внешний - из ферро.магнитного материала.

Фе/г1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь:soisaHo при автоматизации . технолоIjritiCKiix процессов в- черной метал:1 рг11и для контроля положения сталь: : изделий, например проката труб, мгхаиизмов и т.п.

Известен электромагнитный датчик применяемый для контроля положения стальных изделий, содержащий корпус возбуждающую и сигнальную обмотки с дифференциальной схемой включения, генератор, усилитель переменного напряжения, выходной усилитель, фазочувствительный выпрямитель, резистор, фазос;двигающую цепь. Возбуждающая обмотка через резистор соединяна с выходом генератора, сигналная обмотка соединена с входом уси.г1ителя переменного напряжения, выгсод которого соединен с рабочим входом фазсзчувствиТельного выпрямите,)1я, вход опорного напряжения которого через фазосдвигающую деПь соеi, с выходом генератора, а выход с пходом выходного усилителя Cl.

Известен также датчик, имеющий ,Н(Оралевое основание, служащее для hi-пиления датчика на оборудовании, л в качестве корпуса датчика исполь;;, отся внешние слои твердеющего наполнителя либо специальный кожух -из пластмассы (т.е. отсутствует металлический корпус. Датчик имеет рабочий зазор 60 мм при габаритах 180x132x90 С21,

Посколысу обмотки возбуждающая и сигнальная измерительная) представляют собой воздушный трансформа ;-о) : .);iбужденное поле в пространСл1.е датчика симметрично и слабо Jif ::ч,;,:|; :г:;:гнано , следствием чего являете; пе.доитаточная точность. срабатыг.чшия (особенно при перемещениях индицируемых изделий вдоль датчика, например, при постоянном зазоре), г . Г. имеет место большая величина дифференциала, определяемая как ра ность координат срабатывания и Огпускания датчика при появлении и исчезновении (изделия в зоне его чувстлительности б,

Кроме того, при установке чувствительного элемента датчика приходится ставить его на определенном удалении от внешних окружающих металлических масс оборудования), чт

можностью вращения ее в плоскости, перпендикулярной к осям полюсов магнитопровода.

Далеко не всегда возможно, в Частности, в металлургии.

Необходимость установки Датчика на близком расстоянии от оборудования приводит либо к загрублению 5 датчика Сг.е. уменьшению чувствительности и, соответственно, рабочего зазора), либо к невзаимозаменяемости датчиков без специальной подгонки их чувствительности на мес

0 те- .

Наиболее близким по технической .сущности к изобретению является датчик индуктивный, содержаищй разомк5 нутый Н-образный магнитопровод, расположенный над металлическим корпусом,датчика, на среднем стержне которого намотана обмотка возбуждения , на концах одной стороны

-, размещены измерительные, а на других - компенсационные обмотки, а также корректирующие обмотки, нагруженные на отдельный резистор и служащие для устранения исходного сдвига фаз между напряжениями измери тельных и крмпен.сационных обмоток, который вызывается влиянием вихревых токов в деталях корпуса чувствительного элемента. Измерительные и компенсационные обмотки включены встречг

0 но, разность напряжений, снимаемых с них, подается на усилитель датчика содержащий резисторный делитель напряжения, включенный параллельно компенсационной обмотке, и управ5 ляющий вход ключа, подсоединенный между выводами компенсационной и измерительной обмоток. При отсутствии металла в зоне чувствительности дат-. чика коммутатор в течение одного

п полупериода открыт, а в течение второго - закрыт и среднее напряжение на конденсаторе равно нулю При появлении металла в рабочей зоне датчика в ис содном напряжении присутствует составляющая первой гармоники,

причем среднее значение за половину периода изменения питающего напряжения отрицательно, поэтому и на конденсаторе напряжение становится отрицательным, в результате чего

О появляется выходной сигнал датчиi a. Металлический корпус служит лишь подставкой, обеспечивающей жест.кость конструкции датчика и возможность его крепления при установке . Однако вследствие того, что чувствительный элемент, залитый в эпок сидный компаунд, находится в пространстве над основанием, датчик нужно удалять от металлических предметов рамы оборудования и т.п. на расстояние не менее 200 мм. Расстояние- между роликами рольгангов п при его применении для индикации стальных ферромагнитных труб свыше 2000 мм. Кроме того, датчик имеет ограниченную помехоустойчивость, что в ряде случаев явно недостаточно, так как нередко возникает необходимость его установки рядом с эле тромагнитами стрелок на конвейерных линиях или двигателями рольгангов с индивидуальным приводом,где уровень помех много больше нормируемы Цель изобретения - повышение чув ствительности и надежности в работе датчика. Указанная цель достигается тем, что в электромагнитом- датчике для контроля металлических изделий, содержащем корпус, разомкнутый маг- нитопровод с расположенными на нем встречно соединенными возбуждающей и компенсационной обмотками, подсоединенны ии к входу усилителя, измерительную обмотку, последняя ра положена между полюсами магнитопровода, причем ее ось ориентирована параллельно оси основания магнитопровода, боковые стенки корпуса выполнены двухслойными, при этом внутренний слой выполнен из немагнитного металла с высокой электропроводностью, а внешний - из ферромагнитного материала. Кроме того, измерительная обмотка установлена с возможностью вращения ее в плоскости, перпендикулярной к осям полюсов магнито провода. На фиг. 1 изображена схема электромагнитного датчика для контроля металлических изделий; на фиг. 2 датчик, вид сверху. Датчик содержит разомкнутый П-об разный (ферритовый магнитопровод 1 на котором расположены возбуждающай 2 и компенсационная 3 обмотки. Измерительная обмотка 4 расположеjHa в пространстве между полюсами та ким образом, что ее ось параллельна ос нованию магнитопровода. Возбуждающая обмотка 2 подключена к выходу генератора 5 синусоидального напряжения, выходы встречно включенных компенсационной 3 и измерительной 4 обмоток, подключены к входу усилителя б. Магнитопровод 1 с обмотками 2расположен в металлическом двухслой ном корпусе, внутренний слой 7 кото рого выполнен из немагнитного материала с высокой электропроводность например, медь, алюминий, а наружный слой 8 из ферромагнитного материала (сталь, железо). Генератор 5 синусоидалйного напряжения является источником переменного напряжения с частотой 510 кГц, что позволяет индицировать изделия (тела } из любых марок стали вследствие возникновения в их материале вихревых токов. .Датчик работает следующим образом. Протекающий через возбуждающую обмотку ток Dj, , величина которого зависит от амплитуды синусоидального напряжения генератора и полного сопротивления обмотки 2, возбуждает в магнитопроводе 1 и межполюсном пространстве переменное магнитное поле частоты W , определяемой частотой напряжения генератора 5. Часть межполюсного магнитного потока пронизывает измерительную обмотк у 4 и наводит в ней напряжение Ёао I определяемое сечением и количеством витков обмотки Обмотка 4 включена последовательновстречно с компенсационной обмоткой 3f количество витков которой выбрано таким образом, что наводимое в ней напряжение близко к напряжению . EUO разность напряжений межлу ними, називаемая напряжением небаланса t была как можно менььче (близка к нулю), При отсутствии индицируемого тела . uS Ецо-Ь-ко О, Это напряженке,- подаваемое на входусилителя б, недостаточно для того, чтобы сформировать стандартный сигнал, в результате чего после.дний на выходе датчика отсутствует., что свидетельствует об отсутствии в рабочей зоне датчика индицируемого изделия 9, При появлении изделия над датчиком геометрия магнитного поля в межполюсном пространстве за счет взаимодействия поля с изделием изменяется, в частности уменьшается |Магнитный поток и напряжение С ц в измерительной обмотке 4 датчи ка.(ец , в результате на входе усилителя 6 дополнительно появляется напряжение t сигнала, определяемого размерами, формой, маркой материала изделия 9 и расстоянием (зазо- . POMS 2 между изделием 9 и датчиком. Таким образомр на вход усилителя 6 поступает cyMWia напряжений Ёс.-ьёцд Ёц-Еки О. В усилителе 6 подаваемое на вход векторное, напряжение (,- -Ец5 усиивается и преобразуется (например, мплитудным, амплитудно-фазовым и другим способом, из него выделяет сЯ составляюшая сигнала и срав вается с некоторой пороговой велич ной (напряжения) -En г т.е. выполн ются неравенства:при наличии изделия 9 W 4 Ун при отсутстйии изделия U 4%)% Где с Бц5 преобразованные усилителем 6 напр жения -ЕС. и ёц5 на его входе; ) состояние выходно сигнала у датчика представленное в гической форме Максимальный рабочий зазор и р .лизуемая чувствительность датчика зависят от величины сигнал Е.| (при этом зазоре) и нестабильности напряжения небаланса. Амплитуда - напряжения сигна ла.-Е уменьшается при увеличении Зазора , причем для изделий плоских и по размерам значительно больших размеров датчика (например расстоянии между полюсами) эта зависимость близка к экспоненциально т.е.я ta-e.ii-tcT ; где КА - коэффициент, зависящий от размеров А датчика, концентрации (геометрии поля в зоне чувствитель . ности датчика, е-Ео напряжение (сигнал) на выходе измерительной обмотки. 4 при зазоре 5 Чем больше размеры А возбуждающей магнитное поле системы датчика и чем больше концентрация поля в р бочей (.чувствительной 5 зоне по сравнению с другими частями окру-жающего пространства, тем большая часть изменения поля за счет его взаимодействия с изделием передает в сигнальную обмотку и тем больше величина КА. Напряжение нельзя получить неизменным, так как оно зависит от многих случайных мешающих факторов возникающих при эксплуатации, а так например, от точности изготовления узлов датчика, тщательности регулировки и т.п. Обозначая его максимал ное изменение через iut и полагая что напряжение Вп близко к мак симальноь-у эначенип напряжения не1 баланса + Д. &н5 получаем следующее условие отсутствия лохеного срабатывания датчика ЕС uSo- «8 EnSo Ec.2.. Для надежной работы датчика минимальное значение сигнала tu6U)EuK-CJ3SoC. uo BQCo3ci :&iia где (., соответствующий f: максимальный зазор. Отсюда получаем формулу для максимального зазора SMA.(V (o,bO, из которой следует, что при заданных габаритах А чувствительного элемента датчика е.го максимальный зазор зависит от степени подавления сотстройкк ), от мешающих факторов (ртношение ЕоА€ и коэффициента v I характеризующего степень использования (выделения) изменений параметров магнитного поля при воздействии индицируемого изделия на датчик. В числе факторов, увеличивающих напря)йение йЕнв и -приводящих к уменьшению чувствительности датчика, являются внешние боковые массы и переменное электромагнитное поле, окружающее датчик. Поскольку все обмотки датчика расположены внутри металлического корпуса, силовые линии переменного внешнего поля не проходят через обмотки датчика, в том числе через измерительную 4, и напряжение помех в ней не наводится. Наводимое в измерительной обмотке 4 напряжение Ёцо зависит от величины напряженности экранируе™ мого стенками корпуса электромагнит™ ного поля, создаваемого возбуждающей обмоткой 2, на}4одящейся на магнитопроводе 1. При отсутствии корпуса или неполного экранирования им внутренне-го поля приближение датчика к металлическому (стальному) оборудованию изменяет значение напряженности поля в межполюсном пространстве, в результате чего напряжение Ецд изменяется, т.е. появляется дополнительная составляющая и t4S изменения напряжения небаланса. Металлический корпус уменьшает за пределами датчика напряженность остаточного поЛя, источником которого является обмотка возбуждения . датчика.. Наибольший эффект экранирования создает двухслойный корпус. Первый, внутренний слой 7 выполнен из немагнитного материала и уменьшает влияние изменений свойств второго ферромагнитного слоя В на ЭДС измерительной обмотки 4 датчика до ёеличины порядка 10 Ец Второй, внешний слой 8 ослабляет поле в 10-100 раз, делая датчик . практически нечувствительным к его непосредственной установке на металлооборудовании. Напряжение ц в измерительной обмотке 4 зависит от отражения внут ренним слоем электромагнитного поля Составляющая напряжения, вносимая з счет этого отражения, равна (,5...1о и зависит от температуры кор пуса вследствие изменения электропроводности материала слоя от температуры. Чем больше электропроводность, тем меньше изменение. Так, для алюминия изменение вносимого напряжения при изменении температуры корпуса на 5 ОС составляет 0,8% Сили около 210 Euo Для разработанного датчика), причем это влияние легко может быть уменьшено еще в 10-30 раз известными параметpH4ecKHNM методами. Таким образом, двухслойный корпус позволяет существенно увеличить отношение Eo/uErtS и, тем самым, чувствительность датчика за счет уменьшения величины Введение корпуса, внутри которого могут находиться обмотки датчика, приводит к существенному снижению величины напряжения Е.О (в из мерительной обмотке за счет экрани рующего действия корпуса. В результате отношение 5а/йЕнб увеличивае ся, если одновременно не решена задйча устранения экранирования корпусом создаваемого датчиком собственного поля. Это противоречие в датчике устра .няется путем расположения измерител ной обмотки 4 между полюсами П-образного магнитопровода 1, на которо расположена возбуждающая 2 и компен сационная 3 обмотки. Металлический корпус экранирует боковую часть магнитного потока, исходящую из основания магнитопроводз, и практически устраняет поле в пространстве под магнитопроводом При этом за счет уменьшения индуктивности возбуждающих катушек ток через них возрастает (например, на 20%) и несколько возрастает магнитный поток, выходящий из полюсов (корпус не только не ослабляет поле в рабочей зоне датчика, а даже несколько увеличивает его). Измерительная обмотка 4 расположена между полюсами -гак, что магнитный поток между полюсами наводит в ней ЭДС. Поскольку эта обмотка н ходится в межполюсном пространстве она слабо связана с возбуждающей обмоткой 2 поле и обладает высокой Чотносительной) чувствительностью к изменению поля индицируемым изделием. . При таких отличительных особенностях наличие металлического корпуса не уменьшает величины Ео и позволяет получить высокое значение отношения Со/д€ц5 , а применение в межполюсном промежутке магнитопровода 1 измерительной обмотки 4 необходимое значение 1 (т.е. .необходимую концентрацию, направлен- , ность поля в рабочем пространстве, что в свою очередь позволяет получить высокие значения максимальных рабочих зазоров , . Таким образом, изобретение позволяет в формуле для б,, увеличить величины ЕО и К- / уменьшить дЕц§т.е. существенно увеличить чувствитальность датчика, сделав его одновременно защищенным от помех при эксплуатации. . Выполнять бала,нсировку датчика С т.е. уравнивать напряжения и €)с измерительной 4 и компенсационной 3 обмоток ) надо достаточно точно I-2 (С погрешностью 5-10 е) , что практически затруднено и нетехнологично ), с помощью подбора количества витков этих обмоток,, поэтому в датчике предусматривается выполнение измерительной обмотки 4, поворачивающейся в плоскости, перпендикулярной к осям полюсом магнитопровода 1. При этом изменяется угол ct (фиг. 2) между осью секции обмоткя 4 и осью, проходящей полюсами (параллельной оси основания магнитопровода 11. Напряжение, наводимого в обмотке 4, определяется по формуле Euo((bsoC, где EUM - напряжение в обмотке 4 при ot О. При конструировании датчика моточные данные и расположение измерительной обмотки 4 определяются таким образом, что при некотором среднем значении угла сСа датчик балансируется, т.е. выполняется условие tuo oCos« e ««, При повороте обмотки 4 всегда люжно подобрать А O...2oto , чтобы напряжение вцо измерительной обмотки 4 было равно напряжению м компенсационной обмотки 3.