Вихретоковый преобразователь

Использование: для измерения физико-механических параметров электропроводящих объектов. Сущность изобретения заключается в том, что вихретоковый преобразователь содержит высокочастотный генератор, вихретоковый датчик, преобразователь переменного напряжения контура и усилитель-формирователь уровней, источник высокостабильного постоянного напряжения, высокоомный импеданс, аналого-цифровой преобразователь, арифметическое логическое устройство с функцией линеаризации сигнала и цифроаналоговый преобразователь, источник высокостабильного постоянного напряжения подключен к высокочастотному генератору, выполненному в виде автономного кварцевого генератора высокостабильных по частоте и амплитуде прямоугольных импульсов, выход высокочастотного генератора соединен с первым выводом высокоомного импеданса, второй вывод высокоомного импеданса соединен с вихретоковым датчиком, формирующим гармонические колебания и с входом преобразователя переменного напряжения контура в пропорциональный измеряемому параметру сигнал постоянного тока, состоящим из усилителя-ограничителя, выполненного с возможностью полезного ограничения амплитуды сигнала, и фильтра, при этом усилитель-ограничитель, фильтр, усилитель-формирователь уровней, аналого-цифровой преобразователь, арифметическое логическое устройство и цифроаналоговый преобразователь соединены последовательно. Технический результат: повышение точности измерений физико-механических параметров электропроводящих объектов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно устройствам электрических измерений неэлектрических величин и может быть использовано для обнаружения поверхностных дефектов электропроводящих объектов, измерения толщины диэлектрических покрытий на электропроводном основании, оценки толщины металлизации на диэлектрическом основании, измерения линейных и угловых перемещений объектов, контроля перемещений и вибрации электропроводящих поверхностей, в том числе для анализа вибрации и мониторинга промышленных объектов, датчика оборотов и фазы, как бесконтактный выключатель, в качестве датчика наличия проводящего объекта [G01N27/90, G01В7/14; G01Н11/00].

Известен СПОСОБ ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ [RU 2185617, опубл.: 20.07.2002], содержащий коммутирующий элемент, выход которого соединен с входом вихретокового преобразователя, выход которого соединен с входом пикового детектора, задающий генератор, синхронизатор, преобразователь синусоиды в меандр, источник стабильного постоянного тока, выход которого соединен с первым входом первого коммутирующего элемента, и последовательно соединенные второй коммутирующий элемент, обнуляемый пиковый детектор, элемент выборки хранения, выход которого является выходом устройства, а второй вход соединен со вторым выходом синхронизатора, вход которого соединен с выходом задающего генератора, а первый выход соединен со вторыми входами первого коммутирующего элемента, обнуляемого пикового детектора и селектора, выход которого соединен со вторым входом коммутирующего элемента, вход которого соединен с выходом вихретокового преобразователя и с входом преобразователя синусоиды в меандр.

Недостатками устройства аналога его низкие точность и чувствительность, обусловленные тем, что пиковым детектором измеряется амплитуда только одной полуволны затухающего звона контура. Амплитуда этой полуволны мала, а точность измерения пиковым детектором на высоких частотах невелика из-за нестабильностей амплитуд сигналов и длительностей синхроимпульсов. Для получения достаточной чувствительности возникает необходимость увеличения амплитуды сигнала и, соответственно, использования достаточно мощного источника тока, возбуждающего контур. Действительно, амплитуда первой полуволны колебаний контура U_max :

,

где - I – ток импульса, L и С – индуктивность и емкость контура.

Значительные по величине скачки тока контура I приводят к дополнительным низкочастотным переходным процессам в цепях питания, которые накладываются на основные колебания контура и приводят к интерференционным наводкам, снижая точность измерений. Измерение только по одному полупериоду сигнала приводит к значительному усложнению аппаратной реализации устройства. Другим недостатком является дополнительная температурная нестабильность измерений, вызванная наличием в приемной цепи коммутирующих элементов, имеющих заметную температурную зависимость переходного сопротивления в открытом состоянии.

Наиболее близким по технической сущности является ВИХРЕТОКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ [Инструкция по обслуживанию преобразователя вихревого тока 3300 фирмы Bently Nevada Corporation», USA, Nevada, 1989] для вихретокового измерения перемещений токопроводящих объектов, содержащий вихретоковый датчик перемещений, который входит в состав автогенератора переменного напряжения, преобразователь переменного напряжения датчика в пропорциональный измеряемому параметру сигнал постоянного тока и усилитель-формирователь уровней.

Основной технической проблемой прототипа являются высокие временная и температурная нестабильности и недостаточная точность измерений, обусловленные использованием автогенерации на LC-контуре, и повышенное энергопотребление, что вызывает необходимость принятия специальных защитных мер при установке вихретокового преобразователя во взрывоопасных зонах.

В прототипе на контуре создается LC автогенератор, амплитуда и частота генерируемого напряжения которого зависят от расстояния до близко расположенной металлической поверхности контролируемого объекта. Однако известно, что у автогенераторов существует сильная зависимость генерируемой частоты и амплитуды выходного напряжения не только от положения контролируемой металлической поверхности, но и от температуры, напряжения питания, выходного напряжения, потребляемого тока и других параметров. Это приводит к значительной погрешности вихретокового метода измерений. Кроме того, при увеличении напряжения генерации возрастает потребляемый генератором ток.

Решаемой технической задачей является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом изобретения является повышение класса точности измерений физико-механических параметров электропроводящих объектов .

Эта задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом. Указанный технический результат достигается за счет того, что вихретоковый преобразователь, содержащий высокочастотный генератор, вихретоковый датчик, преобразователь переменного напряжения контура и усилитель-формирователь уровней, отличающийся тем, что содержит источник высокостабильного постоянного напряжения, высокоомный импеданс, аналого-цифровой преобразователь, арифметическое логическое устройство с функцией линеаризации сигнала и цифроаналоговый преобразователь, источник высокостабильного постоянного напряжения подключен к высокочастотному генератору, выполненному в виде автономного кварцевого генератора высокостабильных по частоте и амплитуде прямоугольных импульсов, выход высокочастотного генератора соединен с первым выводом высокоомного импеданса, второй вывод высокоомного импеданса соединен с вихретоковым датчиком, формирующим гармонические колебания и с входом преобразователя переменного напряжения контура в пропорциональный измеряемому параметру сигнал постоянного тока, состоящим из усилителя-ограничителя, выполненного с возможностью полезного ограничения амплитуды сигнала, и фильтра, при этом усилитель-ограничитель, фильтр, усилитель-формирователь уровней, аналого-цифровой преобразователь, арифметическое логическое устройство и цифроаналоговый преобразователь соединены последовательно.

В частности, высокочастотный генератор, аналого-цифровой преобразователь, арифметическое логическое устройство и цифроаналоговый преобразователь выполнены на одном микроконтроллере.

В частности, высокоомный импеданс выполнен в виде термостабильного конденсатора с нулевым температурным коэффициентом емкости.

В частности, усилитель-ограничитель выполнен на операционном усилителе.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 показана структурная схема вихретокового преобразователя.

На фиг. 2 показана электрическая схема радиочастотного контура.

На фигурах обозначено: 1 – источник питания, 2 – высокочастотный генератор, 3 – высокоомный импеданс, 4 – вихретоковый датчик, 5 – усилитель-ограничитель, 6 – низкочастотный фильтр, 7 – усилитель-формирователь уровней, 8 – аналого-цифровой преобразователь, 9 – арифметическое логическое устройство, 10 – цифроаналоговый преобразователь.

Осуществление изобретения.

Вихретоковый преобразователь содержит источник питания 1 (см.Фиг.1), выполненный в виде высокостабильного источника питания. К питающим выходам источника питания 1 подключен высокочастотный генератор 2. Выход упомянутого генератора 2 подключен к высокоомному импедансу 3 (см.Фиг.2), другой вывод высокоомного импеданса 3 соединен с вихретоковым датчиком 4 и усилителем-ограничителем 5. Высокоомный импеданс 3 выполнен в виде термостабильного конденсатора с нулевым температурным коэффициентом емкости.

Вихретоковый датчик 4 состоит из катушки индуктивности L₁ с сопротивлением потерь R₁, намотанной на торце диэлектрической шпильки, выполненной из полимера с низким температурным коэффициентом линейного расширения, соединительного радиочастотного кабеля и емкости С₁, которые образуют колебательный контур.

Усилитель-ограничитель 5 выполнен на высокочастотном быстродействующем операционном усилителе, функционирующем с входными и выходными сигналами в режиме «от питания до питания» и представляет собой усилитель, работающий в режиме с отсечкой отрицательных полуволн синусоидального напряжения.

Выход усилителя-ограничителя 5 соединен с входом низкочастотного фильтра 6.

Выход низкочастотного фильтра 6 подключен к входу усилителя-формирователя 7, выход которого, соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 8. Выход аналого-цифрового преобразователя 8 через арифметическое логическое устройство 9 соединен с цифроаналоговым преобразователем 10.

Высокочастотный генератор 2, аналого-цифровой преобразователь 8, арифметическое логическое устройство 9 и цифроаналоговый преобразователь 10 выполнены на одном микроконтроллере.

Вихретоковый преобразователь работает следующим образом.

С источника питания 1 подают питание на высокочастотный генератор 2, частота прямоугольных импульсов которого определяется встроенным в него кварцевым резонатором (на фигурах не показан), а амплитуда – высокостабильным выходным напряжением источника питания 1. Амплитуда прямоугольного выходного напряжения высокочастотного генератора 2 имеет высокую долговременную стабильность, так как упомянутый генератор 2 запитан от высокостабильного источника питания 1, а амплитуда генерации всегда равна напряжению питания. Частота колебаний высокочастотного генератора 2 стабилизирована встроенным кварцевым резонатором, температурная стабильность которого на порядки выше термостабильности вихретокового датчика 4.

Изменение проводимости, вызванное приближением катушки индуктивности L₁ к металлической поверхности, вызывает максимальное изменение напряжения на вихретоковом датчике 4 при условии, если полный ток в цепи упомянутого датчика 4 не меняется по величине, что выполняется, если высокочастотный генератор 2 имеет высокое внутреннее сопротивление или, если связь вихретокового датчика 4 с упомянутым генератором 2, осуществляется через импеданс, который велик по сравнению с импедансом вихретокового датчика 4.

Для выполнения этого условия сформированное высокочастотное напряжение прямоугольной формы с высокочастотного генератора 2 подают на высокоомный импеданс 3, выполненный в виде термостабильной емкости C₂, сопротивление которой на резонансной частоте вихретокового датчика 4 в несколько раз больше резонансного сопротивления упомянутого датчика 4.

Добротность вихретокового датчика 4 определяют как:

Q = C₁R₀ω,

где ω=1/√L₁C₁ – резонансная частота, R₀ – эквивалентное параллельное сопротивление потерь.

R₀ = (ωL₁)²/R₁ = R₁Q²,

где R₁- последовательно включенное сопротивление катушки индуктивности L₁.

Потери в конденсаторе С₁ не учитываются из-за их малости.

Благодаря высокой добротности Q, в вихретоковом датчике 4 формируют напряжение формой, приближенной к синусоидальной.

Стальная поверхность, находящаяся на расстоянии от катушки L₁ вихретокового датчика 4, приводит к существенному изменению его добротности Q при малом изменении его резонансной частоты.

При контроле перемещения изменение расстояния от вихретокового датчика 4 до контролируемого объекта приводит к изменению сопротивления и индуктивности, и, следовательно, и к изменению амплитуды высокочастотного напряжения U на контуре вихревого датчика 4, которое рассчитывают как:

U = U₀ (1- Q) = U₀ + U₁,

где U₁ - величина полезного сигнала, U₀ – напряжение на контуре вихретокового датчика 4 при резонансе в отсутствии металлического диска, R – эквивалентные активные потери, R₀ - эквивалентное сопротивление контура вихревого датчика 4 в отсутствии металлической поверхности, χ - магнитная восприимчивость, k- коэффициент заполнения, определяемый как отношение энергии радиочастотного поля, которая сосредоточена в объеме металлического диска, к полной энергии радиочастотного поля.

U₁=-QU₀,

U₀=IR₀.

Напряжение с выхода вихретокового датчика 4 подают на усилитель-ограничитель 5. Продетектированные полуволны поступают на низкочастотный фильтр 6, причем постоянная заряда t₃ упомянутого фильтра 6 выбрана так, чтобы t₃ << T, где T – период колебаний, а постоянная разряда фильтра НЧ 6 находится в соотношении:

T ≤ t_раз. < T_min,

где T_min – минимальное время повторения измерений.

Это время определяют необходимой верхней частотой измерений.

Полученное постоянное по величине напряжение усиливают усилителем-формирователем уровней 7, которым формируют необходимые значения напряжений таким образом, чтобы обеспечить оптимальный режим работы аналого-цифрового преобразователя 8. Полученное напряжение измеряют в аналого-цифровом преобразователе 8, линеаризуют в арифметическом логическом блоке 9, переводят вновь в аналоговую форму с помощью цифроаналогового преобразователя 10 и подают на выход.

По величине выходного сигнала определяют степень активных потерь в материале объекта, а, следовательно, необходимые физические параметры, например, расстояние до объекта, степень чистоты поверхности и др.

Вихретоковый преобразователь, изготовленный в 2019 году в соответствии с приведенным выше описанием обеспечил высокую температурную стабильность и чувствительность измерений за счет существенного увеличения стабильности амплитуды и частоты колебаний высокодобротного LC-контура вихретокового датчика 4, обусловленных соединением упомянутого датчика 4 с высокочастотным генератором 2, имеющим высокую долговременную стабильность амплитуды выходного напряжения через высокоомный импеданс 3, сопротивлением, значительно превышающим сопротивление вихретокового датчика 4 и усилением с отсечкой отрицательных полуволн синусоидального напряжения, полученного на выходе вихретокового датчика 4 высокочастотным быстродействующим усилителем-ограничителем 5 с последующей фильтрацией сигнала низкочастотным фильтром 6 и формированием усилителем-формирователем уровней 7 напряжений, обеспечивающих оптимальный режим работы аналого-цифрового преобразователя 8, преобразующего сигнал для последующей линеаризации в цифровом арифметическом логическом блоке 9 и обратного преобразования в аналоговую форму цифроаналоговым преобразователем 10 для отображения результатов измерений.

В результате измерений, проведенных описанным вихретоковым преобразователем получена линейная зависимость выходного напряжения от величины зазора между вихретоковым датчиком 4 и стальным диском с погрешностью в 5 микрон, а погрешность измерения расстояний в диапазоне температур вихретокового датчика 4 -60…+125°C составила не более 50 микрон, обусловленная температурным дрейфом индуктивности вихретокового датчика 4 и потерями на вихревые токи в металле контролируемого объекта, электрическое сопротивление которого зависит от температуры. Температурный дрейф измерения расстояний, обусловленный электронной схемой в диапазоне температур -40….+85°C, без учета дрейфа потерь катушки L₁ вихретокового датчика 4 и металлического объекта составил 10 мкм.

Таким образом, за счет повышения временной и температурной стабильности и чувствительности измерений физико-механических параметров электропроводящих объектов решена задача, на которую направлено изобретение - повышение класса точности измерений.

1. Вихретоковый преобразователь, содержащий высокочастотный генератор, вихретоковый датчик, преобразователь переменного напряжения контура и усилитель-формирователь уровней, отличающийся тем, что содержит источник высокостабильного постоянного напряжения, высокоомный импеданс, аналого-цифровой преобразователь, арифметическое логическое устройство с функцией линеаризации сигнала и цифроаналоговый преобразователь, источник высокостабильного постоянного напряжения подключен к высокочастотному генератору, выполненному в виде автономного кварцевого генератора высокостабильных по частоте и амплитуде прямоугольных импульсов, выход высокочастотного генератора соединен с первым выводом высокоомного импеданса, второй вывод высокоомного импеданса соединен с вихретоковым датчиком, формирующим гармонические колебания и с входом преобразователя переменного напряжения контура в пропорциональный измеряемому параметру сигнал постоянного тока, состоящим из усилителя-ограничителя, выполненного с возможностью полезного ограничения амплитуды сигнала, и фильтра, при этом усилитель-ограничитель, фильтр, усилитель-формирователь уровней, аналого-цифровой преобразователь, арифметическое логическое устройство и цифроаналоговый преобразователь соединены последовательно.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что высокочастотный генератор, аналого-цифровой преобразователь, арифметическое логическое устройство и цифроаналоговый преобразователь выполнены на одном микроконтроллере.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что высокоомный импеданс выполнен в виде термостабильного конденсатора с нулевым температурным коэффициентом емкости.

4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что усилитель-ограничитель выполнен на операционном усилителе.