Способ бесконтактного измерения магнитной проницаемости проводящего тела Советский патент 1986 года по МПК G01R33/12 

1

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано при определении магнитных параметров проводящих образцов методом вихревых токов.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Указанная цель достигается двух- тактнбм измерением угла сдвига фаз напряжением измерительной обмотки и опорным напряжением в режиме насыщения-материала испытуемого тела и без подмагничивания и получением таких значений частот переменного магнитного поля, при которых угол сдвига, фаз между напряжением измерительной обмотки и опорным напряжением будет равен одному и тому же значению, благодаря чему на значения магнитной проницаемости не влияют изменения таких параметров, как геометрические размеры тела, индуктивность и активное сопротивление проходной катушки, напряжение пита-

НИН и т.д.

На чертеже показана блок-схема устройства, реализующего предложен- ный способ измерения магнитной проницаемости .

В устройство входят кнопка Пуск 1, одновибратор 2, счетчик 3, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 4 схемы И 5 и 6, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 7, коммутатор 8 аналоговых сигналов, управляемый генератор 9 синусоидальных колебаний, усилители 10 и 11 мощности, вихре- токовый проходной датчик 12, состоящий из возбуждающей 13, измерительной 14 обмоток и обмотки 15 подмагничивания, фазометр 16, схемы 17 - и 18 совпадения, схемы ИЛИ 19 и 20, схема 21 управления, регистр 22, сдвиговый регистр 23, делитель 24, ШрОграммируемое постоянное запоминающее устройство (ГШЗУ) 25, ключ.26, резисторы 27и 28, конденсатор 29.

Кнопка Пуск 1 соединена с входом одновибратора 2. Выход одновибра тора 2 соединен с входом установки начального состояния схемы 21 управления. Прямой выход ГТИ 4 соединен с входами двухвходовых схем И 5 и 6. Инверсный выход ГТИ 4 соединен с входом запуска фазометра 16, выход Конец преобразования которого соединен с входом стробирования записи регистра 23. Выход схемы И 5 соединен с суммирующим входом счетчи199922

ка 3, а выход схемы И 6 - с вычитающим входом счетчика 3. Выходной код счетчика 3 поступает на вход ЦАП 7 и на вход ППЗУ 25. Выход 5 ППЗУ 25 соединен с входом регистра 22 и входом делителя 24, второй вход которого соединен с выходом регистра 22. Цифровой код, поступающий на вход ЦДЛ 7,, преобразуется в аналого- 10 вый сигнал напряжения, поступающий через коммутатор 8 на вход управляемого генератора 9 гармонических колебаний и резистор 28. Частота генератора 9 может плавно изменяться 5 в зависимости от величины входного напряжения. Синусоидальный сигнал с генератора 9 усиливается усилителем 10 мощности и поступает через резистор 27 на возбуясдающую обмот- 2Q ку 13 датчика 12. Фазометр. 16 замеряет угол сдвига фаз между напряжениями на выходе усилителя 10 и выходе измерительной обмотки 14 датчика 12, а также преобразует разность 25 фаз входных напряжений в соответствующий цифровой код. Значение кода поступает на входы схем I7 и 18 совпадения и вход регистра 23. Схема 17 совпадения настроена на определенное , значение, вычисляемое согласно предложенным рекомендациям. Схема 18 совпадения срабатывает при равенстве предыдущего значения кода, записанного в регистре 23 и текущего значения кода, поступающего с фазометра 16. Выходы схем 17 и 18 совпадения соединены с входами схемы ИЛИ 19, выход которой соединен с входом схемы 21 управления. Ключ 26 шунтирует конденсатор 29 при появлении сигнала на выходе 1 схемы 21 управления. Выходы I и П схемы 21 управления соединены с входами схемы ИЛИ 20, выход которой соединен с вторым выходом схемы И 5. Выход П схемы 21 управления также соединен с входом стробирования записи регистра 22 и управляющим входом коммутатора 8. Выход 1II схемы 21 управления соединен с тактовым входом делителя 24. Выход усили- теля 11 соединен с обмоткой 15 подмагничивания датчика 12.

Резистор 27 обеспечивает постоянство тока в цепи питания обмотки возбуждения. Резистор 28 задает время 55 заряда конденсатора 29.

Устройство измерения магнитной проницаемости работает следующим образом.

40

45

3

Кнопкой Пуск 1 запускается од- новибратор 2. Сигнал с выхода одно- вибратора 2 обнуляет счетчик 3 и устанавливает в начальное состояние схему 21 управления, соответствующее выходному коду 1000. Сигнал с выхода 1 схемы 21 управления через схему ИЛИ 20 поступает на схему И 5, разрешая подачу импульсов с ГТИ 4 на суммирующий вход счетчика 3.

Значение кода в счетчике 3 растет, что приводит к увеличению частоты гармонических колебаний генератора 9 и, следовательно, частоты питающего напряжения в обмотке 13 импульса.

Р мпульсы с инверсного выхода ГТИ 4 управляют работой фазометра 16 запуская его каждый раз новым.импульсом. Частота ГТИ 4 подобрана таким образом, чтобы длительность переходного процесса в управляемом генераторе 9 и обмотках датчика 12 была меньше половины периода импульсов ГТИ 4. При таких условиях в момент пуска фаз-ометра 16 на его входах будут установившиеся сигналы. В зависимости от частоты питающего напряжения, а также от величины магнитной- проницаемости изделия, помещенного в датчик 12, меняется угол сдвига фаз между напряжениями на обмотке 13 возбуждения и на измерительной обмотке 14. При некотором значении частоты генератора 9 значение угла сдвига фаз, рассчитанного по данному способу и на которое настроена схема I7 совпадения, и значение текущего угла сдвига фаз совпадут .

При этом сработает схема 17 сов- ;падения, по сигналу которой на вы- ходе М схемы,21 управления появится сигнал. По этому сигналу в регистр 22 будет записано значение кода частоты, поступающего с выхода ППЗУ 25, предназначенного для учета нелинейности, существующей между значениями частоты управляемого ге- нератора 9 и значениями входного управляющего тока, определяемого кодом, хранящимся в счетчике 3. Одновременно с этим переключится коммутатор 8. Выходное напряжение ЦДП 7, усиленное усилителем 11, поступит на обмотку 15 подмагничивания. Счетчик 3 продолжает считать поступающие импульсы, следовательно будет расти ток подмагничивания и изме99924

няться угол сдвига фаз между измеряемыми фазометром 16 напряжениями. Предьщушее значение кода угла сдвига фаз, поступающего с выхода сдвигового регистра 23, информация на выходе которого появится с запаздыванием на один такт по сравнению с входным кодом, и текущее значение кода, поступающего с выхода фазо/J метра 16, будут сравниваться схемой 18 совпадения, которая сработает при их равенстве. Отсутствие изменения угла сдвига фаз с ростом тока подмагничивания будет свиде

тельствовать о наступлении режима

насыщения материала исследуемой детали. Появится сигнал на выходе ГП схемы 21 управления. По этому сигналу переключится коммутатор 8, подключится выход Е1АП 7 к входу управляемого генератора 9, прекратится подача импульсов с. ГТИ 4 на суммирующий вход счетчика 3 и поступит разрешение на подачу импульсов с выхода ГТИ 4 через схему И 6 на вычитающий вход счетника 3. Ток подмагничивания в обмотке 15 датчика 12 при этом не изменится, так как входное напряжение коммутатора запоминается с помощью конденсатора 29. Счетчик 3 начнет уменьшать свой код. Это вызовет уменьшение частоты колебаний генератора 9. Когда сработает схема 17 совпадения, на выходе 1У схемы 21 управления появится сигнал,

по которому зафиксируется значение кода в счетчике 3, и делитель 24 разделит код, поступающий в ППЗУ 25, на код, хранящийся в регистре 22. На выходе получим код, пропорциональный

значению магнитной проницаемости образца.

Предложенный способ основан на том, что при изменении частоты напряжения, запитывающего вихретоковый

преобразователь, изменяется разность фаз между этим напряжением и напряжением с измерительной обмотки проходной катушки, кроме того, магнитная проницаемость насьш енного образца равна единице.

ЭДС измерительной обмотки вихревого переходного преобразователя можно найти по следующей формуле:

55

b-j.,.w,H.CR;-K-.,

(11

де магнитная проницаемость

вакуума;

- - циклическая частота переменного магнитного поля Wy - число витков измерительной

обмотки;

HO - напряженность магнитного поля в воздухе;

R - радиус измерительной обмотки;

R - радиус исследуемой детали; 1 - относительная магнитная проницаемость материала; Ig, 1 - модифицированные цилиндрические функции первого рода соответственно нулевого и первого порядков;

K -JuJ{ 6; 6 - удельная электропроводность

материала исследуемой детали. Из выражения (1) видно, что

arg Э f(R) (2) Пусть (н) N, тогда по формуле (1) можно найти arg Э(И), и в момент первого по счету равенства аргумента ЭДС измерительной обмотки заданной

(3) (4)

(5) (6)

величине можно записать

N, откудаи

где uJ - частота, при которой заканчивается I зтап измерения. В момент второго по счету равенства аргумента ЭДС измерительной обмотки заданному значению можно записать

-jR uJ,6|fo N, А 1 откуда л И

Подставляя выражение (6) в выражение (4), получим

|U (7

Значение N целесообразно выбирать из условия максимальной чувствительности напряжения измерительной обмотки вихретокового преобразователя к изменению Обобщенного параметра N -JRcJf i t однако при это должно выполняться условие: V«l МГц ( uJ 211J)

Обычно INi 2 ,«, 5, .При этом значение заданной величины вычисляется по формуле (1) при kH У.

Предложенн1 способ измерения магнитнйй проницаемости повышает то ность измерения за счет уменьшения

количества параметров, влияющих на исходный результат, вследствие чего погрешность измерения, зависящая от погрешности каждого параметра, уменьшается.

Исключается влияние на точность измерения значения радиуса изделий, от которого зависит значение маг- нитной проницаемости, вычисляемое по сравниваемому способу. Исключается влияние на конечный результат и значений индуктивности и активного сопротивления обмотки, необходимых

5

для вычисления значения магнитной

проницаемости известным .способом. В данном способе значение указанных параметров могут повлиять на амплитуду и фазу, но оно исключается пуQ тем стабилизации тока в возбуждающей обмотке.

Таким образом, результат измерения не зависит ни от электрофизических параметров, ни от геометричес5 ких размеров исследуемой детали.

Причем в результате двухтактного процесса измерения снижается влияние на полученный результат таких трудноучитываемых факторов, как температу- ра, изменения напряжения питания и пр.

Формула изобретения

Сцособ бесконтактного измерения магнитной проницаемости проводящего тела, включающий возбуждение в нем вихревых токов переменным магнитным полем, создаваемым проходной катушкой, и определение параметров ее электрической цепи, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, чТо, с целью повьше- ния точности, измерения проводят в ,двух режимах, без подмагничивания и с подмагничиванием до насыщения материала тела, причем в обоих режимах изменением частоты переменного магнитного поля устанавливают угол сдвига фаз между напряжением измерительной обмотки и опорным напряжением, равный заданной величине, вычисленной по выражению

-.й-иг.-ы„н.к.« .1 5:м|: },

где - магнитная проницаемость вакуума ;

UL) - циклическая частота переменного магнитного поля; Wi, - число витков измерительной

0

5

обмотки проходной катушки; - напряженность магнитного поля в воздухе;

- радиус измерительной обмотки проходной катушки; - радиус исследуемой детали; - относительная магнитная проницаемость материала; - модифицированные цилиндрические функции первого рода

соответственно нулевого и

первого порядков; N- выбирается из ряда 2...5, фиксируют полученные при этом значения частоты, а значение магнитной проницаемости тела определяют как частное от деления значения частоты, найденной в режиме насыщения, на значение частоты, найденной без под- магничивания.

Изобретение может быть использовано при определении магнитных па- раме тров проводящих образцов методом вихревых токов. Цель изобретения - повышение точности измерения. Измеряют угол сдвига фаз между напряжением измерительной обмотки и опорным напряжением в двух режимах - без под- магничивания и с подмагничиванием до насьщения материала тела. Получают значения частот переменного магнитного поля, при которых угол сдвига фаз между напряжением измерительной обмотки и опорным напряжением имеет одно и то же значение. Значение магнитной проницаемости теЛа определяют как частное от деления значения частоты, найденной в режиме насыщения, на значение частоты, найденной без подмагничивания. На значение магнитной проницаемости не вли|тт изменения таких параметров, как геометрические размеры тела, индуктивность и активное сопротивление проходной катушки, напряжение питания и т.д. В описании приведено математическое выражение для определения величины угла сдвига фаз между напряжением измерительной обмотки и опорным напряжением. Кроме того, приведена структурная схема устройства, реализующего данный способ. 1 ил. (Л С