Индукционный датчик
Изобретение относится к испытательной технике контроля и может быть использовано при испытаниях и эксплуатации энергетических установок, при контроле рабочих режимов турбин, двигателей и компрессоров. В работе определяются механические дефекты в лопатках ротора вращающейся турбины на основе создания вихревых токов в них, зависящих от механической целостности лопатки. Величина вихревых токов зависит от геометрических параметров магнитопровода(втулки) датчика - его длины и толщины, от длины измерительной катушки. Увеличение чувствительности индукционного датчика достигается за счет оптимизации выбора отношения длины втулки к длине измерительной катушки, которое находится в пределах от 0,8 до 2. 4 ил.
Изобретение относится к измерительной и испытательной технике и может быть применено для измерения магнитных потоков при бесконтактных методах обнаружения дефектов в движущихся электропроводных средах.
Известно устройство по авт. св. N 201707, СССР для контроля целостности лопаток ротора турбины, включающее индукционный датчик с источником постоянного магнитного поля и измерителем сигналов ЭДС электромагнитной индукции вторичного магнитного поля, созданного вихревыми токами в лопатках ротора, где по величине отношения амплитуд каждого измеренного сигнала к амплитуде заданного сигнала в отсутствии нарушения работы ротора судят о начале разрушения, а по отношению количества измеренных сигналов за один оборот ротора к количеству его лопаток судят об их механической целостности. Указанный аналог обладает следующими недостатками: магнитная система датчиков не оптимальна, что в сложных условиях работы турбины (вибрация, высокие температуры, требования к ресурсу работы и т.п.) снижает надежность работы из-за низких измерительных сигналов. Известно устройство дефектоскопии по авт. св. N 235328, СССР, содержащее постоянный магнит, контактирующий с ним стержнеобразный магнитопровод и охватывающую последний индикаторную обмотку, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным стержнеобразным постоянным магнитом с конусообразными полосами, установленными в полости вала турбины соосно с ним, а угол наклона образующей полюса магнита относительно плоскости торца магнитопровода выбран из условия возбуждения максимального уровня полезного сигнала в индикаторной обмотке при контактировании последнего с корпусом турбины. Этот аналог обладает теми же недостатками. Известен индукционный датчик, содержащий измерительную катушку индуктивности, намагниченный сердечник и магнитопровод, отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности датчика магнитопровод выполнен в виде втулки из магнитомягкого материала с отношением толщины втулки к характерному поперечному размеру намагниченного сердечника - круглого или квадратного сечения, равном![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130408.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130409.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130410.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130411.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130412.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130413.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130414.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130415.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130416.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130417.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/934.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/697.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130418.gif)
создает на ее концах разность потенциалов U =
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/949.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130419.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/247.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
Однако существует не только поперечный оптимальный размер втулки, но и ее продольный размер lB. Оптимизация геометрических параметров втулки позволяет увеличить чувствительность датчика, что позволяет обнаружить более "ранние" дефекты в изделии, расширить контролируемую зону. Это в свою очередь увеличивает надежность контроля объекта. Возможность оптимизации длины втулки следует из существования экстремальной зависимости ЭДС электромагнитной индукции от длины втулки lB. Представим себе, что магнитопровод /втулка/ не влияет на величину первичного магнитного поля и вихревые токи, а следовательно, и вторичное магнитное поле, не зависят от геометрических параметров втулки
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
т. к. при уменьшении первичного поля уменьшаются вихревые токи в проводящей среде, вторичное магнитное поле и магнитный поток в сечении измерительной катушки, и, следовательно, ЭДС электромагнитной индукции вторичного поля. С учетом /5/ и /6/ можно записать:
U = K
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
где
K - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность 1/Тл и зависящий от геометрических параметров датчика, удельной проводимости проводящей движущейся среды и скорости ее движения. Из свойств функции /7/ следует, что зависимость U(lB) носит экстремальный характер, причем максимум этой функции соответствует точке пересечения графиков U*(lB) и B(lB). Соответствующая кривая U(lB), построенная путем их перемножения, указана на чертеже 2. Характер изменения величины B при изменении lB можно оценить путем эквивалентной замены намагниченного сердечника и втулки, соленоидами 1 и 2 /чертеж 3/. Исходя из картины магнитного поля, показанной на чертеже 1, следует, что по этим соленоидам должны протекать фиктивные токи 1 и 1' в противоположных направлениях так, чтобы соответствующие магнитные полюса в левом крайнем сечении соленоида были противоположны. При этом силовые линии магнитных полей, созданные токами 1 и 1', должны быть направлены навстречу друг другу /3 и 4 на чертеже 2/. Индукция магнитного поля, созданная однослойным соленоидом с током 1, определяется по формуле
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130420.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
n - число витков на единицу длины;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8810.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130421.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130422.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130423.gif)
Здесь геометрические размеры l, lB, lc, L показаны на чертеже 1. При этом под расстоянием l будем понимать расстояние от левого сечения соленоидов 1 и 2 /торца датчика/ до любой точки в проводящей среде /точка наблюдения/. Согласно принципу суперпозиции индукция первичного магнитного поля в точке наблюдения равна:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/13/130424.gif)
где B1 и B2 - индукция полей, созданных соленоидами 1 и 2 и определяемых в соответствии с выражениями /8-11/. Так как эти векторы имеют противоположные направления, то
B = B1 - B2
Величины фиктивных токов могут быть определены или расчетным путем [2] или путем эксперимента по измерению индукции в торцевой части намагниченного сердечника с магнитопроводом и без него. В МИРЭА были проведены расчеты магнитных полей. Результаты расчета соответствуют кривой изменения B (lB), показанной на чертеже 2, причем при lB > (1/2 + 1/3)lK зависимость B(lB) практически линейная. Для более точных расчетов магнитных полей могут быть использованы формулы, приведенные в [3]. С целью оптимизации магнитной системы датчика и определения оптимальной длины втулки - магнитопровода в МИРЭА были проведены экспериментальные исследования влияния этого параметра (lB) на величину ЭДС индукции вторичного магнитного поля, созданного вихревыми токами в лопатках ротора модели турбины. Схема датчика показана на чертеже 1, а некоторые результаты экспериментов - на чертеже 4. Эксперименты проводились на нескольких моделях турбины. Угловая частота вращения изменялась от 50 до 400 об/с. Радиус вращения рабочего колеса модели турбины - 45 мм, удаление лопаток турбины от рабочего торца датчика составляло l = 10 мм. ЭДС индукции U измерялась с помощью цифрового вольтметра Ф 4372, форма сигнала наблюдалась с помощью осциллографа Cl-70. При исследованиях использовались как круглые, так и квадратные сечения намагниченных сердечников длиной от 35 до 100 мм. Марка сплава, из которого изготовлены сердечники ЮНДК - 35 Т. Диаметр сердечника круглого сечения - 12 мм, сторона квадрата сечения - 10 мм. Для экспериментов использовались втулки из магнитомягких материалов: сталь Э 310, сталь 3, а также пермаллой 79 НМ. Толщина втулок изменялась от 1 до 4 мм /использовались результаты оптимизации поперечного размера втулки, [1]/. Длина втулки изменялась от 0 до 100 мм. Геометрические параметры измерительной катушки индуктивности не изменялись, кроме ее длины: lK = 5,9 и 20 мм. Число витков катушек - 3000, диаметр провода - 0,065 мм. Геометрические параметры индукционного датчика, результаты испытания которого показаны на чертеже 4:
L = 12 мм /круглое сечение/
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
lK = 9 мм
lC = 35 мм
Из графика, приведенного на чертеже 4, видно, что оптимальная длина втулки
lB опт. = 12,5 мм. Соответственно
lB опт/lk = 1,4. При этом оптимизация длины втулки позволила увеличить чувствительность датчика на 38% при
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
Результаты экспериментального исследования показали, что наибольшую чувствительность индукционного датчика можно получить при выборе длины втулки в пределах от 0,8 до 2 от длины измерительной катушки индуктивности, что также подтверждается проведенными оценочными расчетами магнитных полей и ЭДС электромагнитной индукции. Разброс оптимальной длины втулки обусловлен неизбежными различными коэффициентами "K" в выражении /7/ при изменении геометрических параметров датчика. При этом возможная ошибка в определении истинной оптимальной длины втулки в указанном интервале относительных ее длин /0,8 - 2/ не приведет к уменьшению чувствительности датчика более чем на 5-7%. Эти данные также подтверждены экспериментами. Преимущества заявленного устройства по сравнению с прототипом:
- индукционный датчик с оптимальной длиной втулки-магнитопровода обладает большей чувствительностью. Путем оптимального выбора длины втулки чувствительность можно увеличить на 40%;
- увеличение чувствительности датчика позволяет увеличить его надежность, а также надежность работы системы контроля изделия, на котором устанавливается датчик;
- увеличение чувствительности датчика позволяет охватить больший диапазон возможных нарушений механической целостности лопаток ротора турбины и тем самым предотвратить возможное разрушение дорогостоящих изделий;
- при использовании коротких измерительных катушек индуктивности можно также уменьшить массу датчика за счет уменьшения длины втулки по сравнению с длиной намагниченного сердечника. Следует также отметить простоту реализации предложенного технического решения. На основе изложенного предложенное устройство обладает экономическим эффектом и имеет промышленную полезность. Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР N 1372260, G 01 R 33/12. 2. И.В.Савельев. - Курс общей физики. - т.11, Изд. "Наука", М., 1982. 3. K.Foelsh, Arch. Electrot., Bd 30, H.3, 1936, 139-157.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4