Вихретоковые датчики накладного типа и аппаратура контроля механических величин

В технике измерений существует класс датчиков механических величин и параметров движения (взаимное расположение объектов, величина зазора, число оборотов), основанных на эффектах вихревых токов. Основу таких датчиков составляют катушки индуктивности, выполняющие роль чувствительного элемента.

Изменение параметров катушки (сопротивление, индуктивность) обусловлено взаимодействием ее электромагнитного поля с материалом объекта контроля. Степень влияния объекта на параметры катушки характеризуются обобщенным параметром контроля , где r - средний радиус эквивалентного витка, ω - частота возбуждающего тока, - абсолютная магнитная проницаемость, σ - удельная электропроводность.

Сопротивление катушки зависит не только от ее взаимного расположения с объектом контроля, но и от многих других факторов и в том числе от дефектов и шероховатости поверхности. Поэтому получаемая информация является многопараметровой. Наряду с преимуществами это определяет и определенные трудности и обуславливает необходимость применения специальных методов подавления влияющих факторов.

Учитывая простоту технической реализации, а также условие > 50, целесообразно в датчиках контроля механических величин объектов использовать однопараметровый метод выделения информации.

Полагая объект контроля эквивалентным контуром вихревых токов и на основании теории связанных электрических цепей, полное сопротивление катушки можно также представить в виде

,

где R1, L1 - сопротивление и индуктивность объекта, R0, L0 - сопротивление и индуктивность ненагруженной катушки, M - коэффициент взаимоиндукции.

Таким образом, например, определяя изменение активного и индуктивного сопротивления катушки, можно судить о геометрических параметрах объекта контроля. На практике катушка преобразователя включается в электрическую схему, преобразующую изменение комплексного сопротивления в изменение амплитуды и фазы (или частоты) напряжения.

Основные требования, предъявляемые к вихретоковым датчикам механических величин, являются большой диапазон измерения, высокая линейность его характеристики, помехоустойчивость. В этой связи приемлемые результаты достигаются путем включения катушки в резонансные контуры, контуры автогенераторов.

Для исследований различных методов выделения информации применен вихретоковый датчик с параметрами: индуктивность обмотки - 30 mГн, активное сопротивление - 2.1 Ом, радиус обмотки - r₀ - 4.0 мм. Фазовый метод выделения информации иллюстрирует Рис. 1а.

Рис. 1 Фазовый метод выделения сигнала

 

Высокочастотный генератор Г, запитывает резонансный контур, образованный катушкой L датчика и емкостью 510 пФ. Сигналы с генератора и контура поступают на фазочувствительное устройство. Разностный сигнал (длительность импульса), пропорциональный величине зазора h между объектом контроля 1 и катушкой датчика 2 (Рис. 1б) после фильтрации поступает на выход в виде напряжения U.

Резонансная частота контура в отсутствии объекта контроля f₀ (при h=) составляет величину 0.957 МГц. Приближение датчика к объекту контроля обуславливает уменьшение индуктивности катушки и соответственно добротности контура. При нулевом зазоре (h=0) резонансная частота контура f_k становится равной 1.01 МГц. Резонансные кривые контура для зазоров h=0 и h= представлены на Рис. 1в.

Важное значение имеет выбор частоты задающего генератора fг относительно резонансных частот контура f₀ и f_k, поскольку их соотношение определяет закон изменения фазы и как следствие линейность, чувствительность и диапазон измерения датчика.

1 - fг=f0=957 кГц

2 - fг=985 кГц > f0     

3 - fг=1.025 МГц > fk

4 - fг=1.01 МГц = fk

U₀ - напряжение при fг=985 кГц

 

Рис. 2 Выходные характеристики

 

На рис.2 представлены экспериментальные выходные характеристики датчика для различных значений f_г и объекта контроля, выполненного из материала Сталь 45. Очевидно, что, подбирая частоту f_г относительно f₀ и f_k можно добиться приемлемой линейности (+2.5%) характеристики в диапазоне +1.0 мм для катушки с r=4.0 мм. Линейность характеристики улучшается при снижении добротности резонансного контура, например, путем введения короткозамкнутого витка.

Учитывая перспективность использования частотных датчиков, преобразующих измеряемую величину в пропорциональную ей частоту, исследована работа автогенераторной схемы с катушкой вихретокового датчика (рис. 3). Наряду с простотой такая схема дает высокую точность и помехоустойчивость, характерную для датчиков с кодовым выходом.

Рис. 3 Схема генератора с частотным выходом

 

Настройка генератора осуществляется подбором элементов схемы R₁, C₂, C₃. На выходе схемы наблюдаются прямоугольные импульсы (меандр) с амплитудой 5.0 В и частотой f, которая зависит от взаимного расположения катушки датчика и объекта контроля. Выходные характеристики f=F(h) данной схемы для материалов объекта 20Х13, 12Х18М10 приведены на рис. 4. Исходная частота в отсутствии объекта контроля (h= составляла величину 1.29 МГц. Видно, что зависимости носят нелинейный, гиперболический характер и обуславливают необходимость применения схемных и программных методов линеаризации.

Ряд 1 - 20Х13

Ряд 2 - 12Х18М10

Рис. 4 Выходная характеристика датчика в автогенераторной схеме

 

Для контроля малых перемещений катушки датчиков могут выполняться с применением микроэлектронных технологий. При формировании обмоток методами микроэлектронных технологий получаются обмотки плоского вида, типа "спираль". Они содержат небольшое число витков и плоскую геометрию и, как следствие, небольшую индуктивность. Вместе с тем микропроводники обмотки обуславливают ее большое омическое сопротивление.

Для экспериментальных исследований была применена микрокатушка с параметрами L=6.0 μГн, R=23.3 Ом, r=2.4 мм [3]. Обмотки спирального типа расположены на двух сторонах диэлектрической подложки. Исследования добротности и резонансной частоты показали, что резонансная частота составляет 15.75 МГц, добротность 7. Низкая добротность и высокая частота создают определенные схемотехнические трудности. Проведенный анализ возможных схемотехнических решений показал, что наиболее оптимальным схемным решением для низкодобротных катушек является использование дифференциального релаксационного генератора. В этом случае частота генерируемых колебаний определяется разностью постоянных времени времязадающих цепей (емкостной и индуктивной) генератора. Для микрокатушки с вышеупомянутыми параметрами в отсутствии объекта контроля (h=) частота генерируемых колебаний составляет величину 1.736 МГц. Изменение величины зазора h между микрокатушкой и объектом контроля в диапазоне 0 < h 2r обуславливает девиацию частоты равной 0.392 МГц, что является приемлемым для реализации вихретокового накладного преобразователя с микрокатушкой.

Рис. 5

Для измерителей, использующих амплитудный способ выделения информации, характерна структурная схема, приведенная на рис. 5. Напряжение автогенератора АГ, в колебательный контур которого включена обмотка вихретокового датчика, поступает на детектор Д (амплитудный или частотный            ). Постоянное напряжение с выхода Д, пропорциональное амплитуде или отклонению частоты и амплитуды, поступает на индикатор И.

            Для решения измерительных задач, возникающих в процессе эксплуатации различных турбоагрегатов, возможно использование следующей аппаратуры:

-        датчики зазора и вибрации ДЗВ;

-        датчики перемещения  ДПТ;

-        блоки согласования для датчиков ДЗВ и ДПТ;

-        цифровые блоки обработки (ПБ) для датчиков ДЗВ и ДПТ;

-        индуктивные датчики перемещений ИДП.

Основные характеристики аппаратуры определены ниже.

Габаритный чертеж датчика Д3В-08 приведен ниже на рисунке.

Датчики предназначены для измерения:

-        осевого смещения (ОС)

-        виброперемещения (ВП)

-        осевого сдвига ротора (ОСР)

-        относительного расширения ротора (ОРР)

-        теплового расширения турбин (ТРТ)

-        числа оборотов (ТХ)

-        Искривления вала (ИВ)

Внешний вид датчиков Д3В

Внешний вид датчиков ДПТ

Внешний вид  блоков согласования

Внешний вид  цифровых блоков

---

Машков Александр Сергеевич

Батырев Юрий Павлович

Контактный телефон: (095) 588-52-48

E-mail: batyrev@mgul.ac.ru