Способ вихретокового определения положения объекта

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерений перемещений и виброперемещений токопроводящих объектов. Целью изобретения является повышение точности, расширение динамического диапазона измерения и обеспечение возможности применения для материалов с различными магнитными свойствами, для чего катушка вихретокового датчика питается током специальной формы, мгновенные значения которого определены непрерывной периодической функцией, производная которой по времени в определенном временном сечении функции скачком изменяется до нуля, сохраняя это значение в течение определенного временного интервала. Перемещение объекта оценивается по среднему значению ЭДС, наводимой в катушке датчика полем вихревых токов после изменения производной, когда ЭДС самоиндукции в катушке датчика равна нулю. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ может быть использован в области измерительной техники, в частности для измерения расстояний, перемещений, виброперемещений.

Известен вихретоковый способ определения положений, в котором катушка датчика, питаемая током высокой частоты, создает в окружающем пространстве переменное магнитное поле [1] В металлическом объекте, помещенном в это пространство, возникают вихревые токи, которые стремятся компенсировать вызвавшую их причину, создавая индукцию, противоположную по знаку индукции катушки, что приводит к уменьшению ее коэффициента самоиндукции, а за счет потерь в зоне вихревых токов возрастает эквивалентное активное сопротивление катушки. По изменению индуктивности или активного сопротивления катушки датчика определяется положение объекта относительно датчика.

Недостатками известного способа и устройств, его реализующих, являются: значительная нелинейность рабочей характеристики, низкая точность измерения, малый динамический диапазон измерений, отсутствие универсальности применения для материалов с различными магнитными свойствами.

Целью изобретения является улучшение линейности характеристики, повышение точности и расширение динамического диапазона, а также обеспечение возможности использования независимо от магнитных свойств материала объекта.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемых способе катушка вихретокового датчика питается током сложной формы, значения которого определены непрерывной функцией, причем производная функции тока по времени в определенный момент времени скачком изменяется от постоянной величины до нуля (например, ток в форме трапецеидального импульса). Положение объекта определяется по среднему значению ЭДС, наводимой в катушке датчика полем вихревых токов, за фиксированный промежуток времени после момента скачкообразного изменения производной магнитного потока катушки датчика, когда ЭДС самоиндукции в этой катушке равна нулю.

Определение положения предлагаемым способом для случая, когда питающий катушку датчика ток имеет форму трапецеидального импульса, производится следующим образом.

На рис. 1 приведена схема замещения системы датчик-объект, в которой металлический объект представлен контуром L₂-r₂ с сосредоточенными параметрами: L₂ индуктивность контура вихревых токов, r₂ его активное сопротивление; L₁, r₁ - индуктивность и активное сопротивление катушки датчика; М коэффициент взаимной индукции.

Схема рис.1 описывается следующими уравнениями: Временная диаграмма токов и напряжений в схеме рис.1 дана на рис.2. Катушка датчика питается от генератора тока током i₁ в форме трапецеидального импульса, причем: t₂-t₁= t₃-t₂= t₄-t₃= Δt..

На участке (1-2) от t₁ до t₂: i₁ A·t (3) где A const.

Для контура вихревых токов на этом участке: Из (4) находим i₂: где δ₂= r₂/L₂ величина, обратная постоянной времени контура вихревых токов.

Выбирая Δt>3L₂/r₂ к моменту t₂
ЭДС, наводимая в катушке датчика на участке (1-2):

На участке (2-3) i₁ const

Решая (8) с учетом начальных условий (6), найдем i₂ (2-3)

ЭДС, наводимая в катушке датчика полем вихревых токов на участке (2-3).

Среднее значение ЭДС в катушке датчика на участке (2-3):

Разлагаем в ряд, принимая во внимание первые члены ряда:

Подставляя (12) в (11), получим для среднего значения E_1cp(2-3):

Индуктивность и активное сопротивление контура вихревых токов зависят от расстояния h между источником поля и объектом [1]


где σ проводимость материала объекта;
d- эквивалентная глубина проникновения тока в объект;
μ- магнитная проницаемость;
В константа.

Поэтому:

Подставляя (14) в (13), и учитывая, что коэффициент связи между катушкой и контуром вихревых токов

получаем среднее значение E_1cp(2-3) за интервал t₂-t₃:

Таким образом, формула (15), по которой определяется положение объекта через измерение E_1cp(2-3), содержит линеаризирующий сомножитель
,
возрастающий с увеличением расстояния между датчиком и объектом. Для измерения E_1cp(2-3) не требуется применять дифференциальных схем, так как на участке (2-3) из-за постоянства тока i_1(2-3) const ЭДС самоиндукции катушки датчика

что повышает точность измерения и расширяет динамический диапазон. Отсутствие на интервале измерения t₂-t₃ в катушке датчика переменной составляющей питающего тока, подверженной изменению при внесении в магнитное поле катушки материалов с различными магнитными свойствами, упрощает электромагнитное взаимодействие катушки датчика с помещенным в ее поле объектом и делает способ универсальным для работы с объектами из токопроводящих материалов с различными магнитными свойствами.

Способ является дискретным, поскольку в конце цикла измерения (момент времени t₃) получаем значение E_1cp(2-3), однозначно связанное с положением объекта, помещенного в магнитное поле катушки датчика.

Формула изобретения

1 1. Способ вихретокового определения положения объекта, заключающийся в расположении токопроводящего объекта в области переменного магнитного поля катушки датчика и оценке положения токопроводящего объекта относительно датчика по изменениям параметров, связанных с катушкой, которые вызваны воздействием поля вихревых токов в объекте, отличающийся тем, что переменное магнитное поле катушки датчика формируют при подаче питающего тока в виде непрерывной функции времени со скачкообразными изменениями производной от заданной величины до нуля в определенные моменты времени, а положение токопроводящего объекта определяют по среднему значению ЭДС, наводимой в катушке датчика полем вихревых токов объекта, за фиксированный временной интервал после момента скачкообразного изменения производной магнитного потока катушки, когда ЭДС самоиндукции в этой катушке равна нулю при постоянном значении питающего тока катушки.2 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что питающий ток формируют в виде последовательности трапецеидальных импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2