RU2189585C2 - Вихретоковый датчик - Google Patents
Вихретоковый датчик Download PDFInfo
- Publication number
- RU2189585C2 RU2189585C2 RU2000116651/28A RU2000116651A RU2189585C2 RU 2189585 C2 RU2189585 C2 RU 2189585C2 RU 2000116651/28 A RU2000116651/28 A RU 2000116651/28A RU 2000116651 A RU2000116651 A RU 2000116651A RU 2189585 C2 RU2189585 C2 RU 2189585C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- windings
- pickup
- sides
- sensor
- eddy
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Область использования: измерительная техника, для контроля вибрации движущихся частей роторных машин в энергетике, турбонасосных агрегатах, нефтегазовой промышленности и других областях. В предложенном вихретоковом датчике обмотка выполнена в виде правильного многоугольника. Чем больше число сторон многоугольника, тем больше его площадь приближается к площади круга, тем больше индуктивность. Вихретоковый датчик содержит несколько спиральных обмоток, сдвинутых относительно друг друга на угол, при котором стороны многоугольных спиралей не параллельны друг другу. Спиральные обмотки уложены на диэлектрических подложках, собранных в таблетку. При такой конструкции датчика (увеличении числа сторон и сдвиге сторон смежных обмоток относительно друг друга) улучшается добротность и чувствительность датчика. 4 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля вибрации движущихся частей роторных машин в энергетике, турбонасосных агрегатов в нефтегазовой промышленности и других областях.
Известен вихретоковый преобразователь для неразрушающего контроля, содержащий несколько слоев соосных, плоских спиральных обмоток на диэлектрических подложках, причем спираль витка каждой обмотки имеет конфигурацию спирали обмоток в соседних слоях (см., например, авт. св. СССР 1610420, кл. G 01 N 27/90, 1987 г. - аналог).
При традиционном исполнении вихретокового преобразователя несколько слоев соосных плоских спиральных обмоток на диэлектрических подложках образуют большую суммарную паразитную межвитковую емкость (СП).
Если форма спиралей во всех слоях одинакова, собственная паразитная емкость катушки индуктивности преобразователя (как плоского конденсатора) пропорциональна числу витков (n) и полной площади спирали S0, что является существенным недостатком аналога
где S0 - эквивалентная площадь спирали обмотки одной из сторон диэлектрической подложки,
d0 - толщина диэлектрической подложки,
n - число спиральных обмоток.
где S0 - эквивалентная площадь спирали обмотки одной из сторон диэлектрической подложки,
d0 - толщина диэлектрической подложки,
n - число спиральных обмоток.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве ближайшего аналога вихретоковый преобразователь для неразрушающего контроля, содержащий несколько слоев плоских обмоток на плоских диэлектрических подложках, в котором обмотки всех слоев выполнены в виде прямоугольных спиралей с одинаковым постоянным шагом витков и сдвинуты относительно одна от другой по двум направлениям, совпадающим со сторонами витков на половину шага (см. авт. св. СССР 1497558, кл. G 01 N, 27/90, 1987 г. - ближайший аналог). Благодаря выполнению обмоток всех слоев в виде прямоугольных спиралей с одинаковым постоянным шагом витков и сдвигом их относительно одна от другой на половину шага, в этом устройстве удается увеличить расстояние d0 между параллельными спиралями катушки, а следовательно, уменьшить собственную паразитную емкость преобразователя.
Недостатком ближайшего аналога является конструктивная ограниченность, не позволяющая достигнуть максимальной, потенциально возможной при заданных размерах, добротности датчика.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении чувствительности датчика путем увеличения его добротности.
Поставленная задача решается тем, что в вихретоковом датчике, содержащем несколько слоев соосных плоских спиральных обмоток на диэлектрических подложках, собранных в таблетку, спирали витков каждой обмотки выполнены в виде симметричных многоугольников с m сторонами, а обмотки повернуты относительно друг друга на угол
при котором стороны многоугольных спиралей обмоток не параллельны друг другу.
при котором стороны многоугольных спиралей обмоток не параллельны друг другу.
На фиг.1a) представлена конфигурация спиралей обмоток в виде правильных концентрических многоугольников, сдвинутых относительно друг друга на угол
и собранных в таблетку. На фиг.1б) представлено сечение по толщине таблетки и последовательность соединения спиралей обмоток в катушку индуктивности L. На фиг.2 приведена функциональная схема тракта измерений вибраций ротора с использованием вихретокового датчика.
и собранных в таблетку. На фиг.1б) представлено сечение по толщине таблетки и последовательность соединения спиралей обмоток в катушку индуктивности L. На фиг.2 приведена функциональная схема тракта измерений вибраций ротора с использованием вихретокового датчика.
Вихретоковый датчик 1 содержит n одинаковых диэлектрических подложек 2, на каждой из которых с двух сторон выполнены токопроводящие спиральные обмотки 3, 4, состоящие из нескольких витков в виде правильных концентрических многоугольников. Обмотки 3 и 4 соединены между собой последовательно и согласно через металлизированное контактное отверстие 5 и повернуты относительно друг друга на угол
Через контакты 6.1 и 7n, являющиеся выходными, датчик 1 включается в схему измерений фиг.2. Контакты 6.2...6n соответствующих подложек 2.2...2n электрически соединены пайкой с контактами 71...7n-1 по схеме фиг.1б).
Через контакты 6.1 и 7n, являющиеся выходными, датчик 1 включается в схему измерений фиг.2. Контакты 6.2...6n соответствующих подложек 2.2...2n электрически соединены пайкой с контактами 71...7n-1 по схеме фиг.1б).
При измерениях вихретоковый датчик 1 запитывается от высокочастотного стабилизированного кварцевого генератора 8, нагруженного на делитель напряжения из сопротивления 9 (Rг) и эквивалентного сопротивления датчика 10 (Rэ). Сигнал с эквивалентного сопротивления датчика 10 подается на вход последовательно подключенных усилителя 11, детектора 12, фильтра низких частот 13, регистратора 14. Датчик 1 устанавливается на неподвижной части агрегата 15 с зазором (h) 16 между неподвижной частью и ротором 17.
Устройство функционирует следующим образом. При вращении ротора 17, из-за асимметрии выполнения ротора и неточностей центрирования в подшипниках, изменяется величина зазора (h) 16 между ротором и датчиком. В результате, непрерывно изменяется величина вносимого сопротивления в контур из L, Сп, ra, что приводит к изменению величины эквивалентного сопротивления датчика (Rэ) 10 и параметрической модуляции высокочастотного сигнала генератора 8.
В промодулированных таким образом колебаниях высокочастотного генератора 8 содержится вся информация о величине зазора (h) 16, амплитуде и частоте вибраций ротора 17. После усиления в усилителе 10, промодулированные колебания детектируются детектором 12. Фильтр низких частот 13 выделяет модулирующую функцию, содержащую информацию о параметрах вибрации ротора, которая записывается регистратором 14.
Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Входное сопротивление датчика (Zвх) как параллельного контура, в зависимости от параметра расстройки ξ, задается выражением
где Rэ - эквивалентное сопротивление датчика при резонансе,
Rэ = Q•ρ,
Q - добротность датчика как колебательного контура;
ρ - характеристическое сопротивление датчика,
L - индуктивность катушки датчика,
Сп - паразитная емкость катушки,
ξ - обобщенная расстройка,
,
f0 - резонансная частота,
Δf - отклонение частоты от резонансной (параметр расстройки).
где Rэ - эквивалентное сопротивление датчика при резонансе,
Rэ = Q•ρ,
Q - добротность датчика как колебательного контура;
ρ - характеристическое сопротивление датчика,
L - индуктивность катушки датчика,
Сп - паразитная емкость катушки,
ξ - обобщенная расстройка,
,
f0 - резонансная частота,
Δf - отклонение частоты от резонансной (параметр расстройки).
Как следует из приведенной формулы, крутизна характеристики чувствительности датчика определяется в первую очередь его эквивалентным сопротивлением Rэ = Q•ρ, т.е. добротностью и характеристическим сопротивлением. При заданных конструктивных размерах (габаритах) датчика, чем больше индуктивность катушки (L) и меньше паразитная емкость (Сп), тем больше добротность и характеристическое сопротивление. В свою очередь, индуктивность (L) катушки является функцией охватываемого витками объема пространства (V):
L = μoμ•n2•S•H,
где μo - магнитная проницаемость воздуха, μ - магнитная проницаемость сердечника, n - число витков катушки, S - площадь сечения катушки, Н - высота катушки (толщина таблетки).
L = μoμ•n2•S•H,
где μo - магнитная проницаемость воздуха, μ - магнитная проницаемость сердечника, n - число витков катушки, S - площадь сечения катушки, Н - высота катушки (толщина таблетки).
Если обмотка круглая, то S = 2πR2, R - габариты датчика (фиг.1). Если обмотка выполнена в виде правильного многоугольника, то S = I/2•m•R2•sinα, где m - число сторон правильного многоугольника, α - центральный угол, равный α = 360°/m, R - радиус описанной окружности (габариты датчика). Чем больше число сторон правильного многоугольника, тем больше его площадь (S) приближается к площади круга, тем больше индуктивность L и тем больше характеристическое сопротивление ρ. С другой стороны, если обмотки сдвинуты относительно друг друга, то взаимные проекции l витков одноименных сторон и паразитная емкость Сп также оказываются функциями числа сторон правильного многоугольника. Изменение площади S многоугольника при m-->var и проекции l соответствующих сторон обмоток имеют различную функциональную зависимость.
Следовательно, при изменении конструкции датчика (увеличении числа сторон и сдвиге сторон смежных обмоток относительно друг друга) должен существовать экстремум, при котором добротность и характеристическое сопротивление датчика максимальны.
На фиг.3 представлены графики изменения составляющих
определяющих результирующую эффективность датчика Δρ/ρ в функции от числа сторон (m) и угле сдвига α = 360°/2m, относительно ближайшего аналога (m= 4). Эффективность датчика можно оценить (см. , например, Н.С. Пискунов "Дифференциальное и интегральное исчисления". Учебник для ВТУЗов, T.1, Наука, М. , 1964 г., с. 249-252), вычислив величину относительного изменения функции:
Из геометрических соотношений получено, что
Характеристическое сопротивление датчика максимально при m = 6...7, и увеличивается примерно на 10% относительно ближайшего аналога. Поскольку эквивалентное сопротивление датчика
то результирующий выигрыш в чувствительности составит (1,1•1,1)=1,21, т. е. 21%.
определяющих результирующую эффективность датчика Δρ/ρ в функции от числа сторон (m) и угле сдвига α = 360°/2m, относительно ближайшего аналога (m= 4). Эффективность датчика можно оценить (см. , например, Н.С. Пискунов "Дифференциальное и интегральное исчисления". Учебник для ВТУЗов, T.1, Наука, М. , 1964 г., с. 249-252), вычислив величину относительного изменения функции:
Из геометрических соотношений получено, что
Характеристическое сопротивление датчика максимально при m = 6...7, и увеличивается примерно на 10% относительно ближайшего аналога. Поскольку эквивалентное сопротивление датчика
то результирующий выигрыш в чувствительности составит (1,1•1,1)=1,21, т. е. 21%.
На фиг. 4 представлены нормированные выходные характеристики датчиков (функции чувствительности), соответственно: 1 - ближайшего аналога, 2 - заявляемого датчика. Одним из основных требований к вихретоковым датчикам является обеспечение линейности выходной характеристики (v/v0) в широком диапазоне изменения величины зазора (h) между ротором и неподвижной частью агрегатов. Крутизна характеристики заявляемого датчика на ≈21% больше, при одновременном увеличении линейного участка по сравнению с ближайшим аналогом.
Спиральные обмотки 3, 4 на подложках 2 изготавливаются из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 0,2 мм методом травления заготовок, например, в растворе хлорного железа. Предполагаемая форма спиралей при этом наносится фотошаблонным способом, что не накладывает ограничений на их конфигурацию.
Все элементы измерительного тракта собраны по типовым электронным схемам (см. , например, "Справочник по радиоэлектронике" под редакцией А.А. Куликовского, Энергия, М., 1968 г., т.2, с. 43, 85, 133) и могут быть выполнены на существующей технической базе.
Claims (1)
- Вихретоковый датчик, содержащий несколько слоев соосных плоских спиральных обмоток на диэлектрических подложках, собранных в таблетку, отличающийся тем, что спирали витков каждой обмотки выполнены в виде симметричных многоугольников с m сторонами, а обмотки повернуты относительно друг друга на угол
при котором стороны многоугольных спиралей обмоток не параллельны друг другу.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000116651/28A RU2189585C2 (ru) | 2000-06-28 | 2000-06-28 | Вихретоковый датчик |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000116651/28A RU2189585C2 (ru) | 2000-06-28 | 2000-06-28 | Вихретоковый датчик |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2000116651A RU2000116651A (ru) | 2002-04-27 |
RU2189585C2 true RU2189585C2 (ru) | 2002-09-20 |
Family
ID=20236824
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2000116651/28A RU2189585C2 (ru) | 2000-06-28 | 2000-06-28 | Вихретоковый датчик |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2189585C2 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2567736C1 (ru) * | 2014-08-07 | 2015-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | Способ неразрушающего контроля качества пайки токоведущих соединений |
RU2606936C1 (ru) * | 2015-09-08 | 2017-01-10 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Измеритель перемещений |
RU2642148C1 (ru) * | 2016-10-03 | 2018-01-24 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Измеритель перемещений |
RU2693740C1 (ru) * | 2018-06-09 | 2019-07-04 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение Измерительной техники" (АО "НПО ИТ") | Вихретоковый измеритель |
-
2000
- 2000-06-28 RU RU2000116651/28A patent/RU2189585C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2567736C1 (ru) * | 2014-08-07 | 2015-11-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | Способ неразрушающего контроля качества пайки токоведущих соединений |
RU2606936C1 (ru) * | 2015-09-08 | 2017-01-10 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Измеритель перемещений |
RU2642148C1 (ru) * | 2016-10-03 | 2018-01-24 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Измеритель перемещений |
RU2693740C1 (ru) * | 2018-06-09 | 2019-07-04 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение Измерительной техники" (АО "НПО ИТ") | Вихретоковый измеритель |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6011389A (en) | Induced current position transducer having a low power electronic circuit | |
US7834620B2 (en) | Orthogonal fluxgate magnetic field sensor | |
US6498557B2 (en) | Three-dimensional micro-coils in planar substrates | |
CN102819001B (zh) | 磁性物质检测传感器和磁性物质检测装置 | |
JPH03502001A (ja) | 複数波長のオフセット・ピッチ位相パターンを使用する絶対位置センサ | |
US6356079B1 (en) | Phase-shift type magnetic-field sensor using a magnetic substance | |
RU2189585C2 (ru) | Вихретоковый датчик | |
Duan et al. | Wireless gas sensing based on a passive piezoelectric resonant sensor array through near-field induction | |
Cinquegrana et al. | Back-action-evading transducing scheme for cryogenic gravitational wave antennas | |
CN109959398A (zh) | 用于感应式位置编码器的绕组和刻度构造 | |
Huang et al. | A compact two-dimensional quantum magnetometer module based on the fixed-frequency optical detection of magnetic resonance using nitrogen vacancy centers | |
Rahal et al. | An ASIC front end for planar high-frequency contactless inductive position sensors | |
RU2281490C1 (ru) | Вихретоковый измеритель | |
RU2427794C1 (ru) | Инкрементный емкостный датчик угловых перемещений | |
Passeraub et al. | Inductive proximity sensor with a flat coil and a new differential relaxation oscillator | |
US3840805A (en) | Device for measuring parameters of resonant lc-circuit | |
Choi et al. | The microfluxgate magnetic sensor having closed magnetic path | |
Bhar et al. | Design of a noncontact passive LC-based level sensor with a readout system | |
Giuffrida et al. | " Looking Through Walls"–Actuator Position Measurement Through a Conductive Wall | |
RU2712922C1 (ru) | Тонкопленочная магнитная антенна | |
RU2743321C1 (ru) | Магнитометр на тонкой магнитной пленке | |
CN101427131B (zh) | 用于测量磁性粒子的装置和对应的方法 | |
JP2001083223A (ja) | 磁力計 | |
JPS63317789A (ja) | 核磁気共鳴磁力計 | |
RU2558641C1 (ru) | Датчик воздушного зазора |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20030629 |