Накладной вихретоковый преобразователь для контроля физико- механических параметров электропроводящих объектов

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к малогабаритным вихретоковым 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 осесимметричном 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

COtO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 27/90

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4630995/28 (22) 05.12.88 (46) 07.02,91. Бюл. ¹ 5 (71) Научно-исследовательский институт интроскопии (72) И.В. Изотова (53) 620.179.14(088.8) (56) Герасимов В.Г. и др. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий. М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 11.

Попов В.К. и др. Дефектоскопия, 1973, ¹ 4, с. 80 — 85.

Авторское свидетельство СССР

N 932385, кл. G 01 N 27/90, 1980. (54) НАКЛАДНОЙ ВИХРЕТОКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ

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 Bp/Bp макс от нормированно„„5U 1626143 А1 (57) Изобретение относится к измерительной технике. а именно к малогабаритным вихретоковым 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 осесимметричном магнитопроводе, которь1й выполнен трубчатым. Оптимальная длина I обмотки и оптимальная толщина Т стенки трубчатого магнитопровода, выбраны из соотношений, 1/R = 0,5-0,7, Т/R= 01—

-03, где R — внешний радиус трубчатого магнитопровода, 4 ил. го зазора а = 2/R между преобразователем и контролируемым объектом; на фиг. 4— зависимости относительного вносимого сопротивления 2ан/Zp от нормированного расстояния а между преобразователем и контролируемым объектом.

На фиг, 3 и 4 обозначено:

В0 — текущее значение магнитной индукции на оси симметрии вихретокового преобразователя;

Вр макс максимальное значение магнитной индукции на оси симметрии преобразователя.

Z — расстояние между контролируемым электропроводящим объектом и преобразователем;

R — внешний радиус магнитопровода;

Z — вносимое сопротивление преобразователя. обусловленное наличием контро1626143 лируемого электропроводящего объекта на расстоянии а;

2о — сопротивление холостого хода, т,е, сопротивление преобразователя в отсутствие контролируемого объекта (при а - co).

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

I — для цилиндрической обмотки без магнитопровода;

1l — для цилиндрической обмотки на стержневом магнитопроводе;

ill — 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: !— длина обмотки; R — внешний радиус магнитопровода; r — внутренний радиус магнитопровода; p,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 злектропроводящего 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 ферритового магнитопровода 2 позволяет увеличить величины этих сопротивлений и, соответственно, повысить относительное вносимое сопротивление при неизменных размерах обмотки.

Известно, что выходные характеристики(вносимое сопротивление, вносимое напряжениее) вихретоковых преобразователей, имеющих осевую симметрию (например, виток, преобразователь с цилиндрической обмоткой без магнитопровода и с магнитопроводом), полностью определяются распределением магнитной индукции на оси симметрии, Проведены экспериментальные исследования и построены зависимости магнитНОЙ ИНДУКЦИИ Bp, HOPMMPOBaHHOA ПО Во макс от форсированного зазора а = Z/R (фиг, 3).

Все кривые могут быть апроксимированы экспоненциальными функциями вида — я2.а

А.6, где А1, P2 — константы, причем максимальная величина погрешности апроксимации не превышает 4ь.

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

Как следует из фиг. 3 только для вихретокового преобразователя с обмоткой на трубчатом магнитопроводе (кривая ill) характерно наличие максимума Во, смещенного на некоторое расстояние а"= Zo/R от торца преобразователя (в эксперименте использован трубчатый магнитопровод М2000 с отношением толщины стенки к радиусу

R — г преобразователя t= 0,15, при этом а" =0,3). Этот факт наглядно поясняет картину распределения силовых линий магнитного поля, представленную на фиг, 2. Если направление силовых линий магнитного потока характеризовать касательными в каждой точке, то для указанного преобразователя на участке от а = 0 до а = а" касательные представляют собой пучок, сходящийся к оси симметрии преобразователя. При a = а касательные параллельны оси, а при а > а" представляют собой расходящийся пучок.

Иными словами, силовые линии магнитного поля вблизи торца преобразователя на расстояниях от оси симметрии, близких к r, как бы "затягиваются" магнитопроводом, имеющим намного меньшее магнитного сопротивление по сравнению с воздухом, в результате чего они и претерпевают изгиб.

При удалении от торца такого преобразователя на расстояние, равное или большее a, топография магнитного поля аналогична топографии поля преобразователя, выполненного в виде витка, катушки с обмоткой без магнитопровода и катушки с обмоткой на стержневом магнитопроводе.

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

С ПОМОЩЬЮ ЗаВИСИМОСтвй Bp/Во макс От а, полученных экспериментально, просчитаны значения вносимых сопротивлений

Ze>, нормированных по сопротивлению холостого хода 2о. для обмотки беэ магнитопровода, обмотки на стержневом магнитопроводе и для обмотки на трубчатом магнитопроводе. Все. теоретически рассчитанные кривые Z»/Ео в функции от а хорошо согласуются с результатами экспе1626143

Однако дальнейшее увеличение длины обмотки (y> 0,7) ведет к снижению величи10 ны относительного вносимого сопротивления Z»/Zo даже несмотря на наличие магнитопровода, так как в связи со значительной удаленностью верхних витков от контролируемого объекта действие такого

15 магнитопровода сказывается все меньше и меньше, и картина становится аналогичной, как и у преобразователя без магнитопровода.

Наличие оптимума по толщине стенки

20 трубчатого магнитопровода можно объяснить следующим образом, С одной стороны, когда толщина стенки магнитопровода стремится от 0,1 к О, приходим к случаю вихретокового преоб25 раэователя с обмоткой беэ магнитопровода, у которого отсутствует эффект максимума магнитной индукции В, смещенного на некоторое расстояние а от торца преобразователя.

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 (t=0,1 — 0,3), нормированные по радиусу преобразователя, Наличие оптимума по длине обмотки объясняется следующим.

Известно, что чем длиннее обмотка вихретокового преобразователя без магнитопровода, тем меньше величина относительного вносимого сопротивления Z,H/Z(o,, так как при значительной длине обмотки ее верхние витки оказываются слабо связанными с электропроводящим объектом кон роля и дальнейшее увеличение длины обмотки приводит к незначительному росту абсолютного значения вносимого сопротивления 2». В то же время собственное полное сопротивление (сопротивление холостого хода) Zo 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 Е»/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- 5 екта контроля. С увеличением длины обмотки у до величины 0,7 наблюдается не уменьшение относительного вносимого сопротичления Е»/Zo, как это происходит у

С другой стороны, когда толщина стенки магнитопровода стремится от 0.3 к приходим к случаю вихретонового преобразователя со стержневым магнитопроводом, 35 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

40 стенки магнитопровода — в пределах 0.1—

-0.3.

Вихретоковый преобразователь позволяет повысить чувствительность к изменениям измеряемого параметра при

45 неизменном расстоянии до объекта контроля и неизменных габаритных размерах или диапазон контролируемых зазоров при неизменной чувствительности и неизменных габаритных размерах.

50 риментальных 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. Иэ сравнения указанных зависимостей также следует, что вихретоковый преобразователь с трубчатым магнитопроводом обладает наибольшим диапазоном измерения зазоров для заданной чувствительности. преобразователя без магнитопровода, à его увеличение. Это объясняется тем, что магнитопровод увеличивает связь верхних витков обмотки с электропроводящим объектом контроля, в результате чего рост 28 значительно преобладает над ростом Zo.

Формула изобретения

Накладной вихретоковый преобразователь для контроля физико-механических

5 параметров электропроводящих объектов, содержащий трубчатый осесимметричный магнитопровод и размещенную на нем обмотку, отличающийся тем.что.с целью повышения чувствительности и уве1626143

Фиг.2 личения диапазона контролируемых зазоров, оптимальные длина I обмотки и толщина Т стенки трубчатого магнитопровода выбраны из соотношений д =o,5 — 0,7; — „— 0,1 — 0,3, I T где R — внешний радиус трубчатого магнитопровода.

1626143 в, 5 л пГ (О ()У од (!5

0.4

03

02

0( г д

iin

- 05