Накладной вихретоковый преобразователь для контроля физико-механических параметров электропроводящих объектов Советский патент 1991 года по МПК G01N27/90 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к малогабаритным вихретоковым преобразователям, и может быть использовано в приборостроении и средствах неразрушающего и технологического контроля в машиностроении, системах автоматики, робототехнике и других отраслях промышленности.

Цель изобретения - повышение чувствительности и увеличение диапазона контролируемых зазоров за счет выбора размеров магнитопровода и обмотки.

На фиг. 1 представлен вихретоковый преобразователь; на фиг. 2 - картина распределения силовых линий магнитного поля, сформированного обмоткой, находящейся на трубчатом магнитопроводе; на фиг. 3 - зависимости относительной магнитной индукции Во/Во макс от нормированного згзора а Z/R между преобразователем и контролируемым объектом; на фиг. 4 - зависимости относительного вносимого сопротивления ZBH/ZQ от нормированного расстояния а между преобразователем и контролируемым объектом.

На фиг. 3 и 4 обозначено:

Во - текущее значение магнитной индукции на оси симметрии вихретокового преобразователя;

Во макс - максимальное значение магнитной индукции на оси симметрии преобразователя;

Z - расстояние между контролируемым электропроводящим объектом и преобразователем;

R - внешний радиус магнитопровода;

ZBH - вносимое сопротивление преобразователя, обусловленное наличием контроО

го о

Ј

GJ

лируемого электропроводящего объекта на расстоянии а

7.Q - сопротивление холостого хода, т.е. сопротивление преобразователя в отсутствие контролируемого объекта (при а - оо).

На фиг. 3-4 приведены также следующие обозначения зависимостей:

I- для цилиндрической обмотки без магнитопровода;

II- для цилиндрической обмотки на стержневом магнитопроводе;

III- для цилиндрической обмотки на трубчатом магнитопроводе.

Вихретоковый преобразователь содержит цилиндрическую обмотку 1, размещенную на трубчатом магнитопроводе 2, выполненном из феррита. На фиг. 1 и 2 приведены следующие обозначения: I - длина обмотки; R - внешний радиус магнитопровода; г - внутренний радиус магнитопровода; /9,Z - цилиндрическая система координат.

Вихретоковый преобразователь работает следующим образом.

Преобразователь устанавливают на расстоянии Z над контролируемым электропроводящим объектом (не показан). Присутствие вблизи обмотки 1 с переменным током контролируемого электропроводящего объекта приводит к изменению ее первоначального поля. Естественно, что изменение конфигурации и величины поля влечет за собой изменение электрических параметров обмотки, т.е. ее активного и реактивного сопротивлений. Наличие ферри- тового магнитопровода 2 позволяет увеличить величины этих сопротивлений и, соответственно, повысить относительное вносимое сопротивление при неизменных размерах обмотки.

Известно, что выходные характеристики (вносимое сопротивление, вносимое напряжение) вихретоковых преобразователей, имеющих осевую симметрию (например, виток, преобразователь с цилиндрической обмоткой без магнитопровода и с магнито- проводом), полностью определяются распределением магнитной индукции на оси симметрии.

Проведены экспериментальные исследования и построены зависимости магнитной индукции Во. нормированной по Во макс от форсированного зазора « Z/R (фиг. 3). Все кривые могут быть апроксимированы экспоненциальными функциями вида

- А2 а

А,6, где Ai, f2 константы, причем

максимальная величина погрешности ап- роксимации не превышает 4%.

Сравнительный анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что наличие магнитопровода, его форма, а также длина обмотки оказывают сущест- венное влияние на характер распределения Во (Z).

Как следует из фиг. 3 только для вихре- токового преобразователя с обмоткой на трубчатом магнитопроводе (кривая III) xa- 0 рактерно наличие максимума В0, смещенного на некоторое расстояние о Z0/R от торца преобразователя (в эксперименте использован трубчатый магнитопровод М2000 с отношением толщины стенки к радиусу

5R - г

преобразователя t D .15, при этом

к

ее 0,3). Этот факт наглядно поясняет картину распределения силовых линий магнитного поля, представленную на фиг. 2. Если

0 направление силовых линий магнитного потока характеризовать касательными в каждой точке, то для указанного преобразователя на участке от а 0 до а а касатель- ные представляют собой пучок,

5 сходящийся к оси симметрии преобразователя. При а а касательные параллельны оси, а при а о представляют собой расходящийся пучок.

Иными словами, силовые линии магнит0 ного поля вблизи торца преобразователя на расстояниях от оси симметрии, близких к г, как бы затягиваются магнитопроводом, имеющим намного меньшее магнитного сопротивление по сравнению с воздухом, в

5 результате чего они и претерпевают изгиб. При удалении от торца такого преобразователя на расстояние, равное или большее топография магнитного поля аналогична топографии поля преобразователя, выпол0 ненного в виде витка, катушки с обмоткой без магнитопровода и катушки с обмоткой на стержневом магнитопроводе.

Из сказанного можно сделать вывод, что преобразователь с трубчатым магнито5 проводом будет наилучшим, так как обладает наибольшей чувствительностью к измеряемому параметру в дальней зоне, что особенно важно для датчиков контроля положений и перемещений.

0с помощью зависимостей В0/В0 макс от

а , полученных экспериментально, просчитаны значения вносимых сопротивлений ZBH, нормированных по сопротивлению холостого хода Z0, для обмотки без маг5 нитопровода, обмотки на стержневом магнитопроводе и для обмотки на трубчатом магнитопроводе. Все теоретически рассчитанные кривые ZBH/ZO в функции от а хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований (погрешность при этом не превышает 4-10%). Эти зависимости представлены на фиг. 4, откуда видно, что наибольшей чувствительностью на максимальном удалении от контролируемого объекта (для любого заданного зазора) обладает вихретоковый преобразователь с трубчатым магнитопроводом, так как он имеет наибольшую величину относительного вносимого сопротивления. Из сравнения указанных зависимостей также следует, что вихретоковый преобразователь с трубчатым магнитопроводом обладает наибольшим диапазоном измерения зазоров для заданной чувствительности.

Все исследования проведены для преобразователей, имеющих одинаковые магнитные характеристики магнитопроводов и одинаковые габаритные размеры обмоток.

В результате экспериментальных и теоретических исследований эмпирическим путем получают оптимальные значения длины обмотки (у 0,5-0,7) и толщины стенки трубчатого магнитопровода (, 1-0,3), норми- рованные по радиусу преобразователя.

Наличие оптимума по длине обмотки объясняется следующим.

Известно, что чем длиннее обмотка вихретокового преобразователя без маг- нитопровода, тем меньше величина относительного вносимого сопротивле ния ZBH/Z0, так как при значительной длине обмотки ее верхние витки оказываются слабо связанными с электропроводящим объектом кот- роля и дальнейшее увеличение длины обмотки приводит к незначительному росту абсолютного значения вносимого сопротивления ZBH. В то же время собственное полное сопротивление (сопротивление холостого хода)Z0 преобразователя с увеличением длины обмотки быстро растет, что и приводит к уменьшению величины относительного вносимого сопротивления. Отсюда следует, что для получения максимальной величины относительного сигнала, пропорционального ZBH/ZO, длину обмотки преобразователя без магнитопровода следует выбирать по возможности малой.

В случае преобразователя с обмоткой на трубчатом магнитопроводе наличие магнитопровода приводит к значительному увеличению абсолютной чувствительности к изменению измеряемого параметра объ- екта контроля. С увеличением длины обмотки у до величины 0,7 наблюдается не уменьшение относительного вносимого сопротивления ZBH/ZO, как это происходит у

преобразователя без магнитопровода, а его увеличение. Это объясняется тем, что магни- топровод увеличивает связь верхних витков обмотки с электропроводящим объектом контроля, в результате чего рост ZBH значительно преобладает над ростом Zo.

Однако дальнейшее увеличение длины обмотки (у 0,7) ведет к снижению величины относительного вносимого сопротивления ZBH/ZO даже несмотря на наличие магнитопровода, так как в связи со значительной удаленностью верхних витков от контролируемого объекта действие такого магнитопровода сказывается все меньше и меньше, и картина становится аналогичной, как и у преобразователя без магнитопровода.

Наличие оптимума по толщине стенки трубчатого магнитопровода можно объяснить следующим образом.

С одной стороны, когда толщина стенки магнитопровода стремится от 0,1 к О, приходим к случаю вихретокового преобразователя с обмоткой без магнитопровода, у которого отсутствует эффект максимума магнитной индукции В0 , смещенного на некоторое расстоянием от торца преобразователя.

С другой стороны, когда толщина стенки магнитопровода стремится от 0,3 к° приходим к случаю вихретомового преобразователя со стержневым магнитопроводом, у которого этот эффект также не наблюдается Таким образом, оптимальная длина у обмотки у вихретокового преобразователя с трубчатым магнитопроводом лежит в пределах 0,5-0,7. а оптимальная толщина t стенки магнитопровода - в пределах 0.1- 0.3.

вихретоковый преобразователь позволяет повысить чувствительность к изменениям измеряемого параметра при неизменном расстоянии до объекта контроля и неизменных габаритных размерах или диапазон контролируемых зазоров при неизменной чувствительности и неизменных габаритных размерах.

Формула изобретения

Накладной вихретоковый преобразователь для контроля физико-механических параметров электропроводящих объектов, содержащий трубчатый осесимметричный магнитопровод и размещенную на нем обмотку, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и увеличения диапазона контролируемых зазоров, оптимальные длина I обмотки и толщина Т стенки трубчатого магнитопровода выбраны из соотношений

0,5-0,7; ,1-0,3,

где R - внешний радиус трубчатого магнитопровода.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к малогабаритным вихре- токовым преобразователям, и может быть использовано в приборостроении и средствах технологического контроля в машиностроении, системах автоматики, робототехнике и других отраслях промышленности. Цель изобретения - повышение чувствительности и увеличение диапазона контролируемых зазоров достигается за счет того, что вихретоковый преобразователь содержит обмотку, расположенную на осесим- метричном магнитопроводе, который выполнен трубчатым. Оптимальная длина I обмотки и оптимальная толщина Т стенки трубчатого магнитопровода, выбраны из соотношений, I/R 0,5-0,7, T/R 01- -03, где R - внешний радиус трубчатого магнитопровода. 4 ил. СО с

.- - - - VV V

.A

- - - . i . / .«л,- -Л. xl-f f:v:j Sr N

JEX-

Јг -гс

jЈ--s2yЈ

ШШ

X Jt

Фиг. 2

Фиг.1

/О, , .5

Фиг.