RU2294535C1

RU2294535C1 - Device for electromagnetic control over movements of product and over electro-physical properties of its material

Info

Publication number: RU2294535C1
Application number: RU2005128789/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Клюев (RU); Сергей Владимирович Клюев; Валерий Григорьевич Запускалов (RU); Валерий Григорьевич Запускалов
Priority date: 2005-09-19
Filing date: 2005-09-19
Publication date: 2007-02-27

Abstract

FIELD: engineering of controlling and measuring equipment, in particular, multi-parametric control of geometric parameters and electro-physical properties of material of products, possible use in aggressive environments like salty and acidic steams, effects .

SUBSTANCE: device contains two-frequency generator, commutator, superimposed inductive-vortex current transformer, encased in electromagnetic body, and serially connected circuit for calculating controlled parameters and registration device. In accordance to invention device additionally contains block of filters and rigid membrane of material, resistant to effect of external aggressive vapors and electromagnetic fields. Membrane is made so that its parameters provide quasi-transparency for frequencies of generator. Membrane is located on the side of sensitive information end of transformer and hermetically connected by generating surface to its body. Block of filters is made in form of two filter plugs, one of which is adjusted to one frequency of generator, second one - to another frequency of generator, and block itself is electrically connected to outputs of generator, and by outputs - to inputs of commutator.

EFFECT: in accordance to invention, device has high precision and trustworthiness of measurement in aggressive environment.

1 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к многопараметровому контролю перемещений изделий и электрофизических свойств их материалов, и предназначено для использования в агрессивных средах типа соляных и кислотных паров, жидкостей, воздействия внешних электромагнитных полей в технике отработки элементов космических аппаратов, лопаток энергосистем, деталей резервуаров атомной промышленности и др.The invention relates to a control and measuring technique, in particular to multi-parameter control of the movements of products and the electrophysical properties of their materials, and is intended for use in aggressive environments such as salt and acid vapors, liquids, exposure to external electromagnetic fields in the technique of working out elements of spacecraft, power system blades, details of tanks of the nuclear industry, etc.

Известны технические решения, содержащие многочастотный генератор, вихретоковый преобразователь, эталонные образцы, схему считывания и регистратор, при этом число генерируемых частот генератора выбирают равным числу контролируемых параметров [Авторское свидетельство СССР №181364, G 01 n 27/86, 1966].Known technical solutions containing a multi-frequency generator, eddy current transducer, reference samples, a readout circuit and a recorder, while the number of generated frequencies of the generator is chosen equal to the number of controlled parameters [USSR Author's Certificate No. 181364, G 01 n 27/86, 1966].

Недостатком известных решений является низкая избирательность, вследствие высокого уровня шумов, и вместе с этим точность контроля, обусловленные тем, что каждый измеряемый параметр выделяют с помощью аналоговых резонансных усилителей, что можно делать при строго линейной функции изменения измеряемого параметра, а указанная зависимость линейной практически не бывает.A disadvantage of the known solutions is the low selectivity due to the high noise level, and at the same time the accuracy of the control, due to the fact that each measured parameter is isolated using analog resonant amplifiers, which can be done with a strictly linear function of changing the measured parameter, and the indicated linear dependence is practically not it happens.

Известны технические устройства, содержащие многочастотный генератор, накладной индуктивно-вихретоковый преобразователь физических величин, собранный на основе термостойких материалов типа глиноземной корундовой керамики, стеклоизоляционных материалов, например, для покрытий обмоточного провода типа ПМС, ПЭСК, ПНЭТ, ПЭТВ и др. [Справочник "НК и Диагностика". Под. ред. В.В.Клюева, - М.: Машиностроение. 1995. - с.269-337]Known technical devices containing a multi-frequency generator, an overhead inductive-eddy current converter of physical quantities, assembled on the basis of heat-resistant materials such as alumina corundum ceramics, glass insulation materials, for example, for winding wire coatings like PMS, PESK, PNET, PETV and others. [Reference "NC" and Diagnostics. " Under. ed. V.V. Klyueva, - M.: Mechanical Engineering. 1995. - p. 269-337]

Указанные устройства не обеспечивают требуемую точность контроля физических параметров изделий при воздействии на их преобразователи агрессивных паров и жидкостей, внешних электромагнитных полей из-за незащищенности чувствительно-информационного узла (чувствительного торца) конструкции накладного преобразователя от таких воздействий.These devices do not provide the required accuracy of control of the physical parameters of products when exposed to aggressive vapors and liquids, external electromagnetic fields due to the insecurity of the sensitive information node (sensitive end) of the overhead converter design from such effects.

Суть изобретения заключается в том, что в устройство, содержащее двухчастотный генератор, коммутатор, накладной индуктивно-вихретоковый преобразователь, заключенный в электромагнитный корпус, и последовательно соединенные схему вычисления контролируемых параметров и регистратор, при этом выход коммутатора присоединен к входу преобразователя, связанного с входом схемы вычисления, введены блок фильтров и жесткая мембрана из материала, стойкого к воздействию на него внешних факторов типа агрессивных паров, жидкостей и электромагнитных полей, и выполнена толщиной, обеспечивающей с одной стороны защиту элементов преобразователя от воздействия на них внешних факторов, с другой - квазипрозрачность для собственных первичных электромагнитных полей, излучаемых преобразователем, и вторичных электромагнитных полей, возбуждаемых вихревыми токами преобразователя, при этом мембрана размещена со стороны чувствительно-информационного торца преобразователя и герметично присоединена образующей поверхностью к образующей торца корпуса преобразователя, а блок фильтров выполнен в виде двух фильтр-пробок, каждый из которых настроен на одну из несущих частот генератора и электрически соединен входами с выходами генератора, а выходами с входами коммутатора.The essence of the invention lies in the fact that in a device containing a two-frequency generator, a switch, an overhead inductive-eddy current transducer enclosed in an electromagnetic case, and a series-connected circuit for calculating the controlled parameters and a registrar, the output of the switch is connected to the input of the converter connected to the input of the circuit calculations, a filter unit and a rigid membrane are introduced from a material resistant to external factors such as aggressive vapors, liquids, and electromagnetic fields, and is made thick, which provides, on the one hand, protection of the transducer elements from external factors acting on them, and on the other, quasi-transparency for intrinsic primary electromagnetic fields emitted by the transducer and secondary electromagnetic fields excited by eddy currents of the transducer, while the membrane is sensitively located -information end of the transducer and is hermetically connected by a generating surface to the generatrix of the end of the transducer housing, and the filter unit is made in the form of two filter plugs, each of which is tuned to one of the carrier frequencies of the generator and is electrically connected to the inputs and outputs of the generator, and the outputs to the inputs of the switch.

Техническим преимуществом заявленного изобретения является то, что устройство обладает высокостабильными точностью и достоверностью контроля параметров изделия в условиях воздействия внешних электромагнитных полей, агрессивных паров и жидкостей в сравнении с известными.The technical advantage of the claimed invention is that the device has highly stable accuracy and reliability of the control of product parameters under the influence of external electromagnetic fields, aggressive vapors and liquids in comparison with the known ones.

На чертеже показана блок-схема устройства, которая содержит последовательно соединенные двухчастотный генератор 1, блок фильтров 2, коммутатор 3, накладной индуктивно-вихретоковый преобразователь 4, схему 5 вычисления контролируемых параметров и регистратор 6.The drawing shows a block diagram of a device that contains a series-connected two-frequency generator 1, a filter unit 2, a switch 3, an overhead inductor-eddy current converter 4, a circuit 5 for calculating controlled parameters and a recorder 6.

Двухчастотный генератор 1 генерирует две частоты, отличающиеся друг от друга не менее чем в пять раз для устранения взаимовлияния собственных электромагнитных полей, индуктируемых чувствительными элементами (катушками индуктивности) индуктивно-вихретокового преобразователя 4. Две разные по значению частоты предназначены для одновременного измерения перемещений изделия и одного из электрофизических параметров: либо электрической проводимости, в случае неферромагнитного материала, так как его относительная магнитная проницаемость равна единице, либо магнитной проницаемости материла контролируемого изделия, в случае ферромагнитного материала, когда магнитная проницаемость на порядки больше величины электрической проводимости.The two-frequency generator 1 generates two frequencies that differ from each other by at least five times to eliminate the mutual influence of their own electromagnetic fields induced by the sensitive elements (inductors) of the eddy-current transducer 4. Two different frequencies are designed to simultaneously measure the movements of the product and one from electrophysical parameters: either electrical conductivity, in the case of a non-ferromagnetic material, since its relative magnetic permeability p It is equal to the unit or magnetic permeability of the material of the controlled product, in the case of a ferromagnetic material, when the magnetic permeability is orders of magnitude greater than the electrical conductivity.

Элементы конструкции вихретокового преобразователя 4 (на чертеже не показаны) выполнены из температуро- и агрессивностойких материалов, например, каркас, несущий катушки индуктивности, изготовлен из глиноземной керамики типа 22XС, токопроводящий провод катушек индуктивности выбран типа ПНЭТ-ИМИД, состоящий из медной жилы с 6-ти мкм никелевым плакирующим слоем и жаростойким изоляционным покрытием, корпус преобразователя выполнен из нержавеющей стали, например из титанового сплава. Со стороны чувствительно-информационного торца преобразователь 4 снабжен жестким, т.е. не прогибаемым защитным элементом (мембраной), выполненным также из нержавеющей стали, жестко и герметично присоединенным своим образующим контуром к торцу корпуса преобразователя 4. Толщина защитного элемента выполнена исходя из условий: с одной стороны - достаточного для обеспечения надежности функционирования преобразователя 4 в агрессивных средах, в том числе при наличии внешних электромагнитных полей, с другой прозрачности для электромагнитных полей, излучаемых чувствительными элементами преобразователя 4 при их возбуждении частотами генератора 1. Другими словами толщина защитной мембраны и ее электрическая проводимость выбраны такими, чтобы первичные электромагнитные поля и, наведенные вихревыми токами в материале контролируемого изделия, вторичные электромагнитные поля легко проникали сквозь толщину материала защитной мембраны. В этом случае безусловно несколько теряется чувствительность преобразователя 4, за счет ослабления (потери) вихревых токов в материале токопроводящей защитной мембраны, но зато надежность, точность и достоверность контроля устройства остаются на весь период ресурса преобразователя 4 независимыми (стабильными) от воздействия на преобразователь 4 внешних дестабилизирующих факторов. Чувствительность технически легко восстанавливается или повышается при линеаризованном усилении информационных сигналов преобразователя 4 дополнительными средствами. Свойства материала и геометрические размеры защитной мембраны, рекомендуемой заявителем, в заданных условиях эксплуатации устройства практически не меняются.The structural elements of the eddy current transducer 4 (not shown in the drawing) are made of temperature-resistant and aggressive-resistant materials, for example, the frame carrying the inductors is made of alumina ceramics type 22XС, the conductive wire of the inductors is selected as PNET-IMID, consisting of a copper core with 6 - microns with a nickel cladding layer and heat-resistant insulating coating, the transducer housing is made of stainless steel, for example, of a titanium alloy. From the side of the sensitive information end, the transducer 4 is equipped with a rigid one, i.e. not deflectable protective element (membrane) made of stainless steel, rigidly and hermetically connected by its forming circuit to the end face of the converter housing 4. The thickness of the protective element is made on the basis of conditions: on the one hand, sufficient to ensure the reliability of the converter 4 in aggressive environments, including in the presence of external electromagnetic fields, with a different transparency for electromagnetic fields emitted by the sensitive elements of the transducer 4 when they are excited frequently by the generator 1. In other words, the thickness of the protective membrane and its electrical conductivity are chosen such that the primary electromagnetic fields and induced by eddy currents in the material of the controlled product, the secondary electromagnetic fields easily penetrate the thickness of the material of the protective membrane. In this case, the sensitivity of the transducer 4 is certainly somewhat lost due to the weakening (loss) of eddy currents in the material of the conductive protective membrane, but the reliability, accuracy and reliability of the control of the device remain independent (stable) from the effects of external 4 on the transducer 4 destabilizing factors. The sensitivity is technically easily restored or increased with linearized amplification of the information signals of the Converter 4 by additional means. Material properties and geometric dimensions of the protective membrane recommended by the applicant practically do not change under the given operating conditions of the device.

Величины несущих частот генератора 1 выбираются из условий исходной задачи контроля, а в зависимости от значений несущих частот назначается толщина защитного элемента и габариты преобразователя 4. В наших конкретных опытах несущие частоты заявляемого устройства при контроле биения лопаток из дюралюминиевого или титанового сплава с относительной магнитной проницаемостью, равной единице, была в диапазоне 300...1500 кГц. В этих случаях каждый из чувствительных элементов преобразователя 4 был включен параллельно или последовательно с независимыми конденсаторами, совместно образующими с чувствительными элементами два независимых колебательных контура, настроенных в отдельности в резонанс для лучшей избирательности и метрологии.The values of the carrier frequencies of the generator 1 are selected from the conditions of the original control task, and depending on the values of the carrier frequencies, the thickness of the protective element and the dimensions of the transducer 4 are assigned. In our specific experiments, the carrier frequencies of the inventive device when controlling the runout of blades made of duralumin or titanium alloy with relative magnetic permeability, equal to unity, was in the range of 300 ... 1500 kHz. In these cases, each of the sensitive elements of the transducer 4 was connected in parallel or in series with independent capacitors, together forming with the sensitive elements two independent oscillating circuits, individually tuned in resonance for better selectivity and metrology.

Блок фильтров 2 выполнен, например, из двух индуктивных дросселей, подключенных к другим конденсаторам, образующим совместно с дросселями узкополосные фильтр-пробки, настроенные в резонанс частот, на которые настроены колебательные контура чувствительных элементов преобразователя 4. Фильтр-пробки обеспечивают проход только частотам, на которые настроены колебательные контура преобразователя 4. Каждый из фильтр-пробок пропускает на чувствительные элементы преобразователя 4 только свою из двух несущих частот генератора 1.The filter block 2 is made, for example, of two inductive chokes connected to other capacitors, forming, together with the chokes, narrow-band filter plugs tuned to the resonance of frequencies, to which the oscillatory circuits of the sensitive elements of the converter are tuned 4. Filter plugs provide passage only to frequencies which are configured oscillatory circuit of the Converter 4. Each of the filter plugs passes on the sensitive elements of the Converter 4 only its own of the two carrier frequencies of the generator 1.

Коммутатор 3 предназначен для поочередного подключения выходов коммутатора 3 к входам преобразователя 4 с частотой переключения не менее чем на порядок меньше нижней частоты колебательного контура преобразователя 4, что собственно обеспечивает независимый контроль разных параметров изделия.The switch 3 is designed to alternately connect the outputs of the switch 3 to the inputs of the converter 4 with a switching frequency of at least an order of magnitude lower than the lower frequency of the oscillating circuit of the converter 4, which actually provides independent control of different parameters of the product.

Схема 5 вычисления представляет собой, например, процессор, преобразующий аналоговые электрические сигналы преобразователя 4 в раздельные цифровые физические величины (перемещение токопроводящего изделия относительно преобразователя 4 и электропроводимость или магнитную проницаемость его материала), а также выполняет другие функции, предписанные процессору: содержит программу обработки данных, обеспечивает их вычисление, запоминание, воспроизведение на регистраторе 6, в качестве которого может быть монитор.The calculation circuit 5 is, for example, a processor that converts the analog electrical signals of the transducer 4 into separate digital physical quantities (moving a conductive product relative to the transducer 4 and the electrical conductivity or magnetic permeability of its material), and also performs other functions prescribed by the processor: contains a data processing program , provides their calculation, storage, playback on the recorder 6, which can be a monitor.

Техническим преимуществом заявленного изобретения является то, что устройство обладает стабильными точностью и достоверностью контроля параметров изделия в условиях воздействия внешних электромагнитных полей, агрессивных паров и жидкостей в сравнении с известными.The technical advantage of the claimed invention is that the device has stable accuracy and reliability of the control of product parameters under the influence of external electromagnetic fields, aggressive vapors and liquids in comparison with the known ones.

Работа устройства.The operation of the device.

Две генерируемые генератором 1 разные по значению несущие частоты с присущими посторонними частотными шумами генератора 1 поступают на блок 2 фильтров. Каждая из несущих частот генератора 1 в блоке 2 фильтруется "очищается" от посторонних помех и шумов и поступает на коммутатор 3, который обеспечивает поочередное подключение фильтр-пробок блока 2 к независимым входам преобразователя 4. Вихревые токи колебательных контуров преобразователя 4, проникая через защитную мембрану, достигают поверхность контролируемого изделия и возбуждают в его материале вторичные электромагнитные поля, которые взаимодействуют с первичными электромагнитными полями чувствительных элементов преобразователя 4. По степени изменения этих взаимодействий судят об изменении физических параметров (геометрического перемещения, электропроводности материала) изделия. Причем первый, например, из чувствительных элементов преобразователя 4 обеспечивает контроль перемещения (зазора между преобразователем и изделием), второй из чувствительных элементов - для контроля электромагнитного параметра - для ферромагнитного материала - электромагнитную проницаемость, для неферромагнитного материала - электрическую проводимость.Two carrier frequencies, different in value, generated by the generator 1 with the inherent extraneous frequency noise of the generator 1 are supplied to the filter unit 2. Each of the carrier frequencies of the generator 1 in block 2 is filtered, “cleaned” of extraneous noise and noise, and fed to the switch 3, which provides alternate connection of the filter plugs of block 2 to the independent inputs of the converter 4. Eddy currents of the oscillatory circuits of the converter 4, penetrating through the protective membrane , reach the surface of the controlled product and excite secondary electromagnetic fields in its material, which interact with the primary electromagnetic fields of the sensitive elements of the transducer 4. The degree of change in these interactions is used to judge the change in physical parameters (geometric displacement, electrical conductivity of the material) of the product. Moreover, the first, for example, of the sensitive elements of the transducer 4 provides movement control (the gap between the transducer and the product), the second of the sensitive elements - to control the electromagnetic parameter - for a ferromagnetic material - electromagnetic permeability, for a non-ferromagnetic material - electrical conductivity.

Эти изменения фиксируются и запоминаются в схеме обработки 5, а текущие значения измеряемых параметров воспроизводятся на регистраторе 6.These changes are recorded and stored in the processing circuit 5, and the current values of the measured parameters are reproduced on the recorder 6.

Техническим преимуществом заявленного изобретения является то, что устройство обладает высокими и стабильными точностью и достоверностью контроля параметров изделия в условиях воздействия внешних электромагнитных полей, агрессивных паров и жидкостей на преобразователь 4 в сравнении с известными.The technical advantage of the claimed invention is that the device has high and stable accuracy and reliability of the control of product parameters under the influence of external electromagnetic fields, aggressive vapors and liquids on the transducer 4 in comparison with the known ones.

Claims

A device for electromagnetic control of the movement of the product and the electrophysical properties of its material, containing a two-frequency generator, a switch, an overhead inductive-eddy current converter enclosed in an electromagnetic case, and a circuit for calculating the controlled parameters and a recorder connected in series, the output of the switch being connected to the input of the converter connected to the output with the input of the calculation circuit, characterized in that a filter unit and a rigid membrane of material resistant to exposed to external factors such as aggressive vapors, liquids and electromagnetic fields, and is made thick, which on the one hand protects the transducer elements from external factors, and on the other, quasi-transparency for intrinsic primary electromagnetic fields emitted by the transducer and secondary electromagnetic fields, excited by eddy currents of the transducer, while the membrane is placed on the side of the sensitive-information end of the transducer and hermetically connected sample the surface to the generatrix of the end face of the converter housing, and the filter block is made in the form of two filter plugs, each of which is tuned to one of the carrier frequencies of the generator and is electrically connected to the inputs and outputs of the generator, and the outputs to the inputs of the switch.