Накладной вихретоковый преобразователь для контроля физико механических параметров электропроводящих объектов

( 9) 27 5)5 ОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К АВТОРСКОМУ С ТЕЛЬСТВУ Попов В,К, и др, Де М 4, с. 80 - 85.Авторское свидетел М 932385, кл. 6 01 й 27 (54) НАКЛАДНОЙ ВИХ ОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИ ство СССР90, 1980.ЕТОКОВЫЙ ПРКОНТРОЛЯ ФИХ ПАРАМЕТРООБЪЕКТОВ ежду контролируемым обьектом и преобраэо(56) Герасимов В,Г. и др, Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий, М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 1 1.фектоскопия, 1973,Изобретение относится к измерительной технике, а именно к малогабаритным вихретоковым преобразователям, и может быть использовано в приборостроении и средствах неразрушающего и технологического контроля в машиностроении, системах автоматики, робототехнике и других отраслях промышленности.Цель изобретения - повышение чувствительности и увеличение диапазона контролируемых зазоров за счет выбора размеров магнитопровода и обмотки,На фиг. 1 представлен вихретоковый преобразователь; на фиг, 2 - картина распределения силовых линий магнитного поля, сформированного обмоткой, находящейся на трубчатом магнитопроводе; на фиг. 3 - зависимости относительной магнитной индукции Во/Во макс от нормировднно(57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к малогабаритным вихре- токовым преобразователям, и может быть использовано в приборостроении и средствах технологического контроля в машиностроении. системах автоматики, робототехнике и других отраслях промышленности. Цель изобретения - повышение чувствительности и увеличение диапазона контролируемых зазоров достигается за счет того, что вихретоковый преобразователь содержит обмотку, расположенную на осесимметричном магнитопроводе, которь)й выполнен трубчатым. Оптимальная длина 1 обмотки и оптимальная толщина Т стенки трубчатого магнитопровода, выбраны из соотношений, 1/В = 0,5-0,7, Т/й= О 1- -03, где В - внешний радиус трубчатого магнитопровода, 4 ил. го зазора а = Л/В между преобразователем и контролируемым объектом; на фиг. 4 - зависимости относительного вносимого сопротивления 2 ан/Ео от нормированного расстояния а между преобразователем и контролируемым объектом.На фиг, 3 и 4 обозначено:Во - текущее значение магнитной индукции на оси симметрии вихретокового преобразователя;Во макс максимальное значение магнитной индукции на оси симметрии преобразователя;Е - расстояние мэлектропроводящимвателем;Й - внешний радиус магнитопровода; Евн - вносимое сопротивление преобразователя. обусловленное наличием контро 1626143лируемого электропроводящего объекта на расстоянии а ;Ео - сопротивление холостого хода, т,е, сопротивление преобразователя в отсутствие контролируемого объекта (при а -ф со).На фиг, 3-4 приведены также следующие обозначения зависимостей;- для цилиндрической обмотки без магнитопровода;- для цилиндрической обмотки на стержневом магнитопроводе;- для цилиндрической обмотки на трубчатом магнитопроводе,Вихретоковый преобразователь содержит цилиндрическую обмотку 1, размещенную на трубчатом магнитопроводе 2, выполненном из феррита. На фиг. 1 и 2 приведены следующие обозначения:- длина обмотки; В - внешний радиус магнитопровода; г - внутренний радиус магнитопровода; р,7 - цилиндрическая система координат,Вихретоковый преобразователь работает следующим образом.Преобразователь устанавливают на расстоянии Е над контролируемым электропроводящим объектом (не показан), Присутствие вблизи обмотки 1 с переменным током контролируемого злектропроводящего объекта приводит к изменению ее первоначального поля, Естественно, что изменение конфигурации и величины поля влечет за собой изменение электрических параметров обмотки, т.е, ее активного и реактивного сопротивлений. Наличие ферритового магнитопровода 2 позволяет увеличить величины этих сопротивлений и, соответственно, повысить относительное вносимое сопротивление при неизменных размерах обмотки,Известно, что выходные характеристики (вносимое сопротивление, вносимое напряжениее) вихретоковых преобразователей, имеющих осевую симметрию (например, виток, преобразователь с цилиндрической обмоткой без магнитопровода и с магнитопроводом), полностью определяются распределением магнитной индукции на оси симметрии,Проведены экспериментальные исследования и построены зависимости магнит- НОЙ ИНДУКЦИИ Во НОРМИРОВаННОй ПО Во макс от форсированного зазора а = 7/К (фиг, 3), Все кривые могут быть апроксимированы экспоненциальными функциями вида- Д 2 аА,г, где А 1, 2 - константы, причем максимальная величина погрешности апроксимации не превышает 4;. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Сравнительный анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что наличие магнитопровода, его форма, а также длина обмотки оказывают существенное влияние на характер распределения Во (Е).Как следует из фиг, 3 только для вихре- токового преобразователя с обмоткой на трубчатом магнитопроводе (кривая ) характерно наличие максимума Во, смещенного на некоторое расстояние а+= Уо/В от торца преобразователя (в эксперименте использован трубчатый магнитопровод М 2000 с отношением толщины стенки к радиусуК - гпреобразователя 1= 0,15, при этом аф =0,3), Этот факт наглядно поясняет картину распределения силовых линий магнитного поля, представленную на фиг, 2, Если направление силовых линий магнитного потока характеризовать касательными в каждой точке, то для указанного преобразователя на участке от а = 0 до а = а" касательные представляют собой пучок, сходящийся к оси симметрии преобразователя, При а = аф касательные параллельны оси, а при аа+ представляют собой расходящийся пучок.Иными словами, силовые линии магнитного поля вблизи торца преобразователя на расстояниях от оси симметрии, близких к г, как бы "затягиваются" магнитопроводом, имеющим намного меньшее магнитного сопротивление по сравнению с воздухом, в результате чего они и претерпевают изгиб. При удалении от торца такого преобразователя на расстояние, равное или большее а,топография магнитного поля аналогична топографии поля преобразователя, выполненного в виде витка, катушки с обмоткой без магнитопровода и катушки с обмоткой на стержневом магнитопроводе,Из сказанного можно сделать вывод, что преобразователь с трубчатым магнитопроводом будет наилучшим, так как обладает наибольшей чувствительностью к измеряемому параметру в дальней зоне, что особенно важно для датчиков контроля положений и перемещений.С ПОМОЩЬЮ ЗаВИСИМОСтвй Во/Во макс От а, полученных экспериментально, просчитаны значения вносимых сопротивлений Еан, нормированных по сопротивлению холостого хода 2 о, для обмотки беэ магнитопровода, обмотки на стержневом магнитопроводе и для обмотки на трубчатом магнитопроводе. Все.теоретически рассчитанные кривые Еан/2 о в функции от а хорошо согласуются с результатами экспе 1626143Однако дальнейшее увеличение длиныобмотки (у 0,7) ведет к снижению величи 10 ны относительного вносимого сопротивления 2/2 о даже несмотря на наличиемагнитопровода, так как в связи со значительной удаленностью верхних витков отконтролируемого объекта действие такого15 магнитопровода сказывается все меньшеи меньше, и картина становится аналогичной, как и у преобразователя без магнитопровода.Наличие оптимума по толщине стенки20 трубчатого магнитопровода можно объяснить следующим образом,С одной стороны, когда толщина стенки магнитопровода стремится от 0,1 к О,приходим к случаю вихретокового преоб 25 раэователя с обмоткой беэ магнитопровода, у которого отсутствует эффектмаксимума магнитной индукции В, смещенного на некоторое расстоянием от торца преобразователя.30 Все исследования проведены для преобразователей, имеющих одинаковые магнитные характеристики магнитопроводов и одинаковые габаритные размеры обмоток.В результате экспериментальных и теоретических исследований эмпирическим путем получают оптимальные значения длины обмотки (у=0,5 - 0,7) и толщины стенки трубчатого магнитопровода (1=0,1 - 0,3), нормированные по радиусу преобразователя,Наличие оптимума по длине обмотки объясняется следующим.Известно, что чем длиннее обмотка вихретокового преобразователя без магнитопровода, тем меньше величина относительного вносимого сопротивления 2/2, так как при значительной длине обмотки ее верхние витки оказываются слабо связанными с электропроводящим объектом кон- роля и дальнейшее увеличение длины обмотки приводит к незначительному росту абсолютного значения вносимого сопротивления 2 в. В то же время собственное полное сопротивление (сопротивление холостого хода) 2 преобразователя с увеличением длины обмотки быстро растет, что и приводит к уменьшению величины относительного вносимого сопротивления. Отсюда следует, что для получения максимальной величины относительного сигнала, пропорционального 2 вн/2 о, длину обмотки преобразователя без магнитопровода следует выбирать по возможности малой.8 случае преобразователя с обмоткой на трубчатом магнитопроводе наличие магнитопровода приводит к значительному увеличению абсолютной чувствительности к изменению измеряемого параметра обь екта контроля. С увеличением длины обмотки у до величины 0,7 наблюдается не уменьшение относительного вносимого сопротивления 2 вн/2 о, как это происходит у С другой стороны, когда толщина стенки магнитопровода стремится от 0.3 к, приходим к случаю вихретонового преобразователя со стержневым магнитопроводом, 35 у которого этот эффект также не наблюдается,Таким образом, оптимальная длина у обмотки у вихретокового преобразователя с трубчатым магнитопроводом лежит в пределах 0,5 - 0,7, а оптимальная толщина 1 40 стенки магнитопровода - в пределах 0.1 - -0.3.Вихретоковый преобразователь позволяет повысить чувствительность к изменениям измеряемого параметра при 45 неизменном расстоянии до объекта контроля и неизменных габаритных размерах или диапазон контролируемых зазоров при неизменной чувствительности и неизменных габаритных размерах.50 риментальных исследований (погрешность при этом не превышает 4 - 10). Эти зависимости представлены на фиг. 4, откуда видно, что наибольшей чувствительностью на максимальном удалении от контролируемого объекта (для любого заданного зазора) обладает вихретоковый преобразователь с трубчатым магнитопроводом, так как он имеет наибольшую величину относительного вносимого сопротивления. Иэ сравнения указанных зависимостей также следует, что вихретоковый преобразователь с трубчатым магнитопроводом обладает наибольшим диапазоном измерения зазоров для заданной чувствительности,преобразователя без магнитопровода, а его увеличение. Это объясняется тем, что магнитопровод увеличивает связь верхних витков обмотки с электропроводящим объектом контроля, в результате чего рост 26 значительно преобладает над ростом 2 о Формула изобретения Накладной вихретоковый преобразователь для контроля физико-механических 5 параметров электропроводящих объектов,содержащий трубчатый осесимметричный магнитопровод и размещенную на нем обмотку, отличающийся тем,что.с целью повышения чувствительности и уве 1626143личения диапазона контролируемых зазоров, оптимальные длина обмотки и толщина Т стенки трубчатого магнитопроводавыбраны из соотношений д =0,5-0,7; - -0,1-0,3,Тгде й - внешний радиус трубчатого магнитопровода.