Способ бесконтактного измерения магнитной проницаемости проводящего тела

 

Изобретение может быть использовано при определении магнитных параме 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 подмагничивания 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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И), (Ю 4 G 01 R 33/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3752064/24-21 (22) 13 ° 06.84 (46) 23,03.86. Бюл. Ф 11 (71) Пермский политехнический институт (72) А.В. Горохов, В.Л, Кель, В.А,Панов и А.Я. Садиков (53),621.317.42(088.8) (56) Герасимов В.Г. и др. Нераэрушающий контроль качества изделий электромагнитными методами.М.: Энергия, 1978, с. 30-34, 178-184.

Авторское свидетельство СССР

Ф 845122, кл. G Ol R 33/12, 1981. (54) СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ

МАГНИТНОИ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПРОВОДЯЩЕГО

ТЕЛА (57) Изобретение может быть использовано при определении магнитных параметров проводящих образцов методом вихревых токов. Цель изобретения— повышение точности измерения. Измеряют угол сдвига фаз между напряжением измерительной обмотки и опорным напряжением в двух режимах — беэ подмагничивания и с подмагничиванием до насыщения 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 насьш(ения, на значение частоты, найденной без подмагничивания. На значение магнитной проницаемости не влияют изменения таких параметров как геометри1

O ческие размеры тела, индуктивность (а и активное сопротивление проходной катушки, напряжение питания и т.д.

В описании приведено математическое выражение для определения величины угла сдвига фаз между напряжением as- Я мерительной обмотки и опорным напряжением. Кроме того, приведена структурная схема устройства, реализующего данный способ. 1 ил.

1219992 2

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 двухтактным измерением угла сдвига фаз меж (у 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 жезначению, благодаря чему на значения магнитной проницаемости не влияют изменения таких параметров, как геометрические размеры тела, индуктивность и активное сопротивление проходной катушки, напряжение пита- ния и т,д.

На чертеже показана блок-схема устройства, реализующего предложенный 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, вихретоковый 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, программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) 25, ключ.26„ резисторы 27.и 28, конденсатор 29.

Кнопка "Пуск" 1 соединена с входом одновибратора 2. Выход одновибратора 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 счетчи5

55 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

ППЗУ 25 соединен с входом регистра 22 и входом делителя 24, второй вход которого соединен с выходом регистра 22. Цифровой код, поступающий на вход ЦАП 7, преобразуется в аналоговый сигнал напряжения, поступающий через коммутатор 8 на вход управляемого генератора 9 гармонических колебаний и резистор 28. Частота генератора 9 может плавно изменяться в зависимости от величины входного напряжения. Синусоидальный сигнал с генератора 9 усиливается усилителем 10 мощности и поступает через резистор 27 на возбуждающую обмотку 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 фаз входных напряжений в соответствующий цифровой код. Значение кода поступает на входы схем 17 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 i схемы 21 управления. Выходы 1 и 11 схемы 21 управления соединены с входами схемы ИЛИ 20, выход которой соединен с вторым выходом схемы И 5. Выход 11 схемы 21 управления также соединен с входом стробирования записи регистра 22 и управляющим входом коммутатора 8, Выход 111 схемы 21 управления соединен с тактовым входом делителя 24. Выход усилителя 11 соединен с обмоткой 15 подмагничивания датчика 12.

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

Устройство измерения магнитной проницаемости работает следующим образом.

2!9992

3 1

Кнопкой "Пуск" 1 запускается одновибратор 2. Сигнал с выхода одновибратора 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.

Импульсы 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 фазометра 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 фаэ 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 17 совпадения, и значение текущего угла сдвига фаз совпадут.

При этом сработает схема 17 совпадения, по сигналу которой на выходе 1! 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 генератора 9 и значениями входного управляющего тока, определяемого кодом, хранящимся в счетчике 3. Одновременно с этим переключится коммутатор 8. Выходное напряжение ПДП 7, усиленное усилителем 11, поступит на обмотку 15 подмагничивания. Счетчик 3 продолжает считать поступающие импульсы, следовательно будет расти ток подмагничивания и изменяться угол сдвига фаз между измеряемыми фаэометром 16 напряжениями.

Предыдущее 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 фазометра 16, будут сравниваться схемой 18 совпадения, которая сработает при их равенстве. Отсутствие изменения угла сдвига фаз с ростом тока подмагничивания будет свидетельствовать о наступлении режима насыщения материала исследуемой детали. Появится сигнал на выходе ГП схемы 21 управления. По этому сигналу переключится коммутатор 8, подключится выход ЦАП 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 счетиика 3. Ток подмагничивания в обмотке 15 датчика 12 при этом не изменится, так как входное напряжение коммутатора эапомина30 ется с помощью конденсатора 29. Счетчик 3 начнет уменьшать свой код. Это вызовет уменьшение частоты колебаний генератора 9. Когда сработает схема 17 совпадения, на выходе !У схемы 21 управления появится сигнал, 35 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

40 значению магнитнои проницаемости образца.

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

45 преобразователь, изменяется разность фаз между этим напряжением и напряжением с измерительной обмотки про- ходной катушки, кроме того, магнитная проницаемость насыщенного образ50 ца равна единице, ЭДС измерительной обмотки вихреного переходного преобразователя можно найти по следующей формуле:

1219992

55 где «, — магнитная проницаемость вакуума; — циклическая частота переменного магнитного поля, W — число витков измерительной обмотки;

Й, — напряженность магнитного поля в воздухе;

R " радиус измерительной обмотки;

R — - радиус исследуемой детали; « " относительная магнитная проницаемость материала;

I, Х,« — модифицированные цилиндрические функции первого рода соответственно нулевого и первого порядков;

К = -3 р 6;

6 †. удельная электропроводность материала исследуемой детали.

Из выражения (1) видно, что

erg Э= f(RR) (2)

Пусть (kR) = N,,òîãäà по формуле (1) можно найти arg Э (N), и в момент первого по счету равенства аргумента

ЭДС измерительной обмотки заданной величине можно записать

- Р„ „Р, а= N, (З) откуда ц= - — z — —— (4) " «4 «о где ««}„ — частота, при которой заканчивается этап измерения. В момент второго по счету равенства аргумента ЭДС измерительной обмотки заданному значению можно записать

-)1 « )26 «о = Н, 1Ч = 1 (5)

6 = — -- — — (6) 1 +y «о

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

1«,«ы Л

vJ (f

М1

Значение N целесообразно выбирать из условия максимальной чувствительности напряжения измерительной обмотки вихретокового преобразователя к изменению обобщенного параметра N = -JR a3PgP однако при этом должно выполняться условие:

4«1 ИГц (1 = 2R/)

Обычно Б! = 2,, 5. При этом значение заданной величины вычисляется по формуле (1) при kR fN.

Предложенныи способ измерения магнитнбй проницаемости повышает точ 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 магнитной проницаемости, вычисляемое по сравниваемому способу. Исключается влияние на конечный результат и значений индуктивности и активного сопротивления обмотки, необходимых для вычисления значения магнитной проницаемости известным, способом.

В данном способе значение указанных параметров могут повлиять на амплитуду и фазу, но оно исключается путем стабилизации тока в возбуждающей обмотке.

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

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

Формула изобретения

Способ 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 юшийся тем, что, с целью повышения 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

° a г1В 1„(Й)

Я1,(Ж) где P, — магнитная проницаемость вакуума;

u3 — циклическая частота переменного магнитного поля, «

: 1„ — число витков измерительной

1219992

Составитель Г. Клитотехнис

Редактор Р, Цицика Техред В.Кадар Корректор Л. Пилипенко

Заказ 13!9(53 Тираж 728 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб ., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 обмотки проходной катушки, Н вЂ” напряженность магнитного поо ля в воздухе; — радиус измерительной обмоти

5 ки проходной катушки; — радиус исследуемой детали; — относительная магнитная проницаемость материала;

1„ 1„ — модифицированные цилиндри- 1О ческие функции первого рода соответственно нулевого и первого порядков.;

М вЂ” 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 подмагничивания.