RU2339029C2

RU2339029C2 - Vortex-current control method

Info

Publication number: RU2339029C2
Application number: RU2006120749/28A
Authority: RU
Inventors: Андрей Васильевич Клюшев (RU); Андрей Васильевич Клюшев
Original assignee: ООО "ГлобалТест"; Андрей Васильевич Клюшев
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2006-06-15
Publication date: 2008-11-20
Also published as: RU2006120749A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: vortex-current converter is used in the form of parallel oscillatory circuit. Converter is connected to fixed DC supply. Voltage drop is measured on ohmic resistance of vortex-current converter coil. After that converter is disconnected from current source to form proper damped oscillation. One damped oscillation period is isolated to measure its amplitude and time base position relative to damped oscillation. After that forced extinction of damped oscillation is carry out. Informative parameter is period amplitude change and period time base position change. Coil voltage drop is used for automatic adjustment of output signal multiplication.

EFFECT: higher sensitivity and high-speed; reduction of measurement inaccuracy.

4 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в промышленности для контроля линейных и угловых перемещений, величины вибрации электропроводящих объектов.The invention relates to instrumentation and can be used in industry to control linear and angular movements, the magnitude of the vibration of electrically conductive objects.

Известен способ вихретокового контроля (см. книгу: Физические и физикохимические методы контроля состава и свойств вещества. Метод вихревых токов. / Н.Н.Шумиловский и др. - М. - Л.: Энергия, 1966 - с.123-132). Способ заключается в том, что используют вихретоковый преобразователь в виде параллельного колебательного контура, который устанавливают в зоне контроля и периодически подключают к источнику питания для формирования в параллельном колебательном контуре собственных затухающих колебаний, по величине затухания которых судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта, в качестве информативного параметра используют изменение средневыпрямленного напряжения затухающих колебаний, изменением периода подключения контура к источнику питания влияют на чувствительность контроля.A known method of eddy current control (see book: Physical and physicochemical methods for controlling the composition and properties of a substance. Eddy current method. / N.N. Shumilovsky and others - M. - L .: Energy, 1966 - p.123-132). The method consists in the use of a eddy current transducer in the form of a parallel oscillatory circuit, which is installed in the control zone and periodically connected to a power source to form its own damped oscillations in the parallel oscillatory circuit, the attenuation of which is used to judge changes in the physicomechanical parameters of the controlled object, as an informative parameter, a change in the average rectified voltage of damped oscillations is used; The contour to the power source affects the sensitivity of the control.

Недостатком способа является его низкая чувствительность, так как выделение информативного параметра осуществляется путем измерения средневыпрямленного значения экспоненциально затухающего гармонического колебания, что предполагает усреднение составляющих с высокой и низкой информативностью. Кроме того, способ обладает большой погрешностью измерения, вызванной влиянием температуры на активное сопротивление катушки параллельного колебательного контура.The disadvantage of this method is its low sensitivity, since the selection of an informative parameter is carried out by measuring the average straightened value of the exponentially damped harmonic oscillation, which involves the averaging of components with high and low information content. In addition, the method has a large measurement error caused by the influence of temperature on the active resistance of the coil of a parallel oscillatory circuit.

Известен способ вихретокового контроля (см. патент РФ №2185617 от 7.02.2000, опубликован 20.07.2002), который является наиболее близким по технической сущности и взят в качестве прототипа. Способ заключается в том, что вихретоковый преобразователь в виде параллельного колебательного контура устанавливают в зоне контроля и периодически подключают к источнику питания для формирования в параллельном колебательном контуре собственных затухающих колебаний, по величине затухания которых судят об изменениях физико-механических параметров контролируемого объекта. При этом в качестве источника питания используют источник постоянного стабильного тока, который подключают к параллельному колебательному контуру и отключают от него после окончания переходного процесса, после чего величину затухания определяют путем выбора полупериода с максимальным изменением амплитуды, которая соответствует максимальной чувствительности к изменению параметров контролируемого объекта. При этом для компенсации погрешности измерения, вызванного изменением активного сопротивления катушки параллельного колебательного контура вследствие воздействия температуры окружающей среды, перед отключением источника постоянного стабильного тока от параллельного колебательного контура измеряют падение напряжения на активном сопротивлении его катушки, после чего корректируют выходную величину источника постоянного стабильного тока в зависимости от величины этого падения напряжения, после отключения источника постоянного стабильного тока от параллельного колебательного контура выходную величину источника постоянного стабильного тока восстанавливают до исходного значения.A known method of eddy current control (see RF patent No. 2185617 from 7.02.2000, published on 07.20.2002), which is the closest in technical essence and taken as a prototype. The method consists in the fact that the eddy current transducer in the form of a parallel oscillatory circuit is installed in the control zone and periodically connected to a power source to form its own damped oscillations in the parallel oscillatory circuit, the attenuation of which is used to judge changes in the physicomechanical parameters of the controlled object. In this case, a constant stable current source is used as a power source, which is connected to a parallel oscillatory circuit and disconnected from it after the end of the transition process, after which the attenuation value is determined by choosing a half-period with a maximum amplitude change that corresponds to the maximum sensitivity to a change in the parameters of the controlled object. In order to compensate for the measurement error caused by the change in the active resistance of the coil of the parallel oscillatory circuit due to the influence of the ambient temperature, before disconnecting the constant current source from the parallel oscillatory circuit, the voltage drop across the active resistance of its coil is measured, and then the output value of the constant constant current source is adjusted in depending on the magnitude of this voltage drop, after turning off the constant voltage source stably current from the parallel oscillatory circuit the output value of the DC constant current was reduced to the original value.

Недостатком способа является его ограниченное быстродействие вследствие удлинения периода возбуждения затухающих колебаний на время, необходимое для корректировки тока возбуждения, а также из-за большой длительности процесса затухания. Недостатком является то, что в качестве информативного параметра используется только вносимое со стороны объекта контроля активное сопротивление и не учитывается вносимая индуктивность.The disadvantage of this method is its limited performance due to the lengthening of the excitation period of damped oscillations by the time required to adjust the excitation current, and also because of the long duration of the damping process. The disadvantage is that only the impedance introduced by the control object is used as an informative parameter and the introduced inductance is not taken into account.

Решаемой технической задачей является создание способа для вихретокового контроля физико-механических параметров электропроводящих объектов с повышенной чувствительностью и быстродействием.The technical problem to be solved is the creation of a method for eddy current control of the physicomechanical parameters of electrically conductive objects with increased sensitivity and speed.

Техническим результатом заявляемого способа является исключение процедуры корректировки тока возбуждения и введение процедуры регулировки коэффициента усиления выходного сигнала, введение процедуры принудительного гашения затухающих колебаний сразу после выделения информативного параметра, измерение вносимого реактивного сопротивления.The technical result of the proposed method is the exclusion of the procedure for adjusting the excitation current and the introduction of the procedure for adjusting the gain of the output signal, the introduction of the procedure for damping damped oscillations immediately after highlighting an informative parameter, measuring the introduced reactance.

Это достигается тем, что в способе вихретокового контроля, основанном на использовании вихретокового преобразователя в виде параллельного колебательного контура, который устанавливают в зоне контроля и подключают к источнику постоянного стабильного тока, измеряют падение напряжения на активном сопротивлении катушки вихретокового преобразователя, после чего отключают его от источника постоянного стабильного тока для формирования в вихретоковом преобразователе собственных затухающих колебаний, величина затухания которых является информативным параметром, по которому судят об изменениях физико-механических свойств контролируемого объекта, новым является то, что выделяют один из периодов затухающих колебаний, измеряют его амплитуду и положение на временной оси относительно начала затухающих колебаний, после чего осуществляют принудительное гашение затухающих колебаний, при этом информативным параметром является изменение амплитуды периода и изменение положения периода на временной оси, а величину падения напряжения на катушке вихретокового преобразователя используют для автоматической регулировки усиления выходного сигнала.This is achieved by the fact that in the eddy current control method based on the use of an eddy current transducer in the form of a parallel oscillating circuit, which is installed in the control zone and connected to a constant current source, the voltage drop across the active resistance of the eddy current transducer coil is measured, and then disconnected from the source constant stable current for the formation in the eddy current transducer of its own damped oscillations, the attenuation of which is an informative parameter used to judge changes in the physicomechanical properties of a controlled object is new in that one of the periods of damped oscillations is distinguished, its amplitude and position on the time axis are measured relative to the beginning of damped oscillations, after which damped oscillations are forcedly damped, while an informative parameter is the change in the amplitude of the period and the change in the position of the period on the time axis, and the magnitude of the voltage drop across the coil of the eddy current transducer This is used for automatic gain control of the output signal.

Новая совокупность существенных признаков, заявляемых в способе, позволяет повысить чувствительность, быстродействие и уменьшить погрешность измерения.A new set of essential features claimed in the method allows to increase the sensitivity, speed and reduce the measurement error.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства вихретокового контроля, реализующая заявляемый способ. На фиг.2 приведены эпюры напряжения в колебательном контуре при разных h₁ и h₂ расстояниях вихретокового преобразователя до контролируемого объекта, иллюстрирующие принцип выделения информативного параметра; на фиг.3 приведены эпюры напряжений, поясняющие работу устройства вихретокового контроля; на фиг.4 приведена экспериментальная выходная характеристика устройства вихретокового контроля.Figure 1 shows the structural diagram of the eddy current control device that implements the inventive method. Figure 2 shows the plot of the voltage in the oscillatory circuit at different h ₁ and h ₂ distances of the eddy current transducer to the controlled object, illustrating the principle of selection of an informative parameter; figure 3 shows a plot of stresses explaining the operation of the eddy current control device; figure 4 shows the experimental output characteristic of the eddy current control device.

Устройство для реализации способа содержит последовательно соединенные источник постоянного стабильного тока 1, первый аналоговый ключ 2, вихретоковый преобразователь 3, второй аналоговый ключ 4, пиковый детектор 5, первый элемент выборки-хранения 6, анализатор преобразователь 7, выход которого является выходом устройства. Выход задающего генератора 8 соединен со входом синхронизатора 9 и первым входом счетчика 10, группа выходов которого соединена с группой входов анализатора преобразователя 7, второй вход которого соединен с выходом второго элемента выборки-хранения 11, первый вход которого соединен со входом вихретокового преобразователя 3 и выходом ключа гашения 12, вход которого соединен с первым выходом синхронизатора 9, второй выход которого соединен со вторым входом второго элемента выборки-хранения 11, третий выход соединен со вторым входом первого элемента выборки-хранения 6, четвертый выход - со вторым входом первого аналогового ключа 2, вторым входом пикового детектора 5, первым входом селектора 13 и вторым входом счетчика 10, третий вход которого соединен с выходом селектора 13 и со вторым входом второго аналогового ключа 4, вход которого соединен со входом компаратора 14, выход которого соединен со вторым входом селектора 13.A device for implementing the method comprises a constant-current constant current source 1 connected in series, a first analog switch 2, an eddy current transducer 3, a second analog switch 4, a peak detector 5, a first sampling-storage element 6, an analyzer transducer 7, the output of which is the output of the device. The output of the master oscillator 8 is connected to the input of the synchronizer 9 and the first input of the counter 10, the group of outputs of which is connected to the group of inputs of the analyzer of the transducer 7, the second input of which is connected to the output of the second element of the sample-storage 11, the first input of which is connected to the input of the eddy current transducer 3 and the output a blanking key 12, the input of which is connected to the first output of the synchronizer 9, the second output of which is connected to the second input of the second element of the sample-storage 11, the third output is connected to the second input of the first electronic sample-storage 6, the fourth output - with the second input of the first analog key 2, the second input of the peak detector 5, the first input of the selector 13 and the second input of the counter 10, the third input of which is connected to the output of the selector 13 and to the second input of the second analog key 4, the input of which is connected to the input of the comparator 14, the output of which is connected to the second input of the selector 13.

Способ осуществляется следующим образом. Импульсы с задающего генератора 8 поступают на вход синхронизатора 9, на четвертом выходе которого появляется управляющая последовательность импульсов в форме меандра (эпюра а). Во время действия отрицательной фазы происходит сброс пикового детектора 5, приведение в исходное состояние селектора 13 и включение первого аналогового ключа 2, который подключает источник постоянного стабильного тока 1 к вихретоковому преобразователю 3, после чего устанавливается режим протекания постоянного стабильного тока через катушку вихретокового преобразователя 3. После чего на втором выходе синхронизатора 9 появляется импульс (эпюра б), во время действия которого при помощи второго элемента выборки-хранения 11 осуществляется запоминание падения напряжения, вызванное протеканием тока через активное сопротивление катушки. Это напряжение (эпюра в) подается на второй вход анализатора-преобразователя 7 и используется для регулировки усиления выходного сигнала в зависимости от температуры окружающей среды катушки вихретокового преобразователя 3. Затем во время действия отрицательной фазы (эпюра а) разрешается работа пикового детектора 5, селектора 13, осуществляется запуск счетчика 10, а также осуществляется отключение вихретокового преобразователя 3 от источника постоянного стабильного тока 1, при этом после отключения, в результате накопленной в катушке магнитной энергии, на выходе вихретокового преобразователя 5 возникают затухающие гармонические колебания (эпюра г), которые начинаются с отрицательного полупериода, поскольку предполагается, что для питания контура используется источник вытекающего тока. Затухающие колебания поступают на вход второго аналогового ключа 4 и на вход компаратора 14. С компаратора 14 последовательность прямоугольных импульсов (эпюра д) поступает на вход селектора 13, который осуществляет подсчет импульсов и вырабатывает селектирующий импульс (эпюра е), по длительности соответствующий периоду затухающих колебаний, а по временному положению, в данном конкретном случае, четвертому периоду колебаний. На время действия селектирующего импульса происходит включение второго аналогового ключа 4, который пропускает четвертый период (эпюра ж) на вход пикового детектора 5, являющегося детектором положительных значений. С выхода пикового детектора 5 напряжение, соответствующее амплитуде четвертого положительного полупериода (эпюра з), поступает на первый вход элемента выборки-хранения 6, который запоминает это напряжение (эпюра к) в момент действия управляющего импульса, поступающего с третьего выхода синхронизатора 4 (эпюра и). Сразу после этого на первом выходе синхронизатора 9 вырабатывается импульс, который поступает на вход ключа гашения 12 (эпюра л), в результате чего обеспечивается принудительное гашение затухающего колебания. Счетчик 10 подсчитывает количество импульсов, поступающих с выхода задающего генератора 8 за время между передним фронтом положительного импульса (эпюра а) и передним фронтом положительного импульса (эпюра е). Двоичное число с группы выходов счетчика 10, соответствующее количеству подсчитанных импульсов, поступает на группу входов анализатора преобразователя 7. Анализатор-преобразователь 7 обеспечивает функциональное преобразование сигналов, а также их суммирование и масштабирование. Напряжение на выходе анализатора-преобразователя 7 является выходным сигналом устройства (эпюра м). Цикл измерения составляет один период управляющей импульсной последовательности, поступающей с четвертого выхода синхронизатора 4 (эпюра а), это соответствует времени одного замера. Частота импульсов (замеров) может достигать пятьдесят и более килогерц, что говорит высоком быстродействии устройства.The method is as follows. The pulses from the master oscillator 8 are fed to the input of the synchronizer 9, on the fourth output of which appears a control sequence of pulses in the form of a meander (plot a). During the action of the negative phase, the peak detector 5 is reset, the selector 13 is initialized, and the first analog switch 2 is turned on, which connects the constant current source 1 to the eddy current transducer 3, after which the constant current flows through the eddy current transformer coil 3. After that, a pulse appears on the second output of the synchronizer 9 (plot b), during which the second sample-storage element 11 is carried out for memory voltage drop caused by the flow of current through the active resistance of the coil. This voltage (plot B) is supplied to the second input of the analyzer-transducer 7 and is used to adjust the output signal gain depending on the ambient temperature of the eddy-current transducer coil 3. Then, during the action of the negative phase (plot a), the peak detector 5, selector 13 is allowed to work , the counter 10 is started, and also the eddy current transducer 3 is disconnected from the constant constant current source 1, and after the shutdown, as a result of the magnet accumulated in the coil total energy, at the output of the eddy current transducer 5 there are damped harmonic oscillations (plot d), which begin with a negative half-cycle, since it is assumed that a source of leakage current is used to power the circuit. The damped oscillations are fed to the input of the second analog switch 4 and to the input of the comparator 14. From the comparator 14, a sequence of rectangular pulses (plot d) is fed to the input of the selector 13, which counts the pulses and generates a selecting pulse (plot e), the duration corresponding to the period of damped oscillations , and according to the temporary position, in this particular case, the fourth period of oscillation. For the duration of the selection pulse, the second analog switch 4 is turned on, which passes the fourth period (plot g) to the input of the peak detector 5, which is a positive value detector. From the output of the peak detector 5, the voltage corresponding to the amplitude of the fourth positive half-cycle (plot h) is supplied to the first input of the sample-storage element 6, which remembers this voltage (plot k) at the moment the control pulse arrives from the third output of the synchronizer 4 (plot and ) Immediately after this, a pulse is generated at the first output of the synchronizer 9, which is fed to the input of the damping key 12 (plot l), as a result of which damping is damped forcibly. The counter 10 counts the number of pulses from the output of the master oscillator 8 during the time between the leading edge of the positive pulse (plot a) and the leading edge of the positive pulse (plot e). The binary number from the group of outputs of the counter 10, corresponding to the number of counted pulses, goes to the group of inputs of the analyzer of the transducer 7. The analyzer-transducer 7 provides a functional conversion of the signals, as well as their summation and scaling. The voltage at the output of the analyzer-Converter 7 is the output signal of the device (plot m). The measurement cycle is one period of the control pulse sequence coming from the fourth output of the synchronizer 4 (plot a), this corresponds to the time of one measurement. The frequency of pulses (measurements) can reach fifty or more kilohertz, which indicates a high speed device.

Первый элемент выборки-хранения 6, анализатор-преобразователь 7, задающий генератор 8, синхронизатор 9, счетчик 10, второй элемент выборки-хранения 11, селектор 13, компаратор 14 выполнены на микроконтроллере C8051F007. При этом элементы выборки-хранения, задающий генератор, счетчик, селектор, компаратор входят в состав архитектуры указанного микроконтроллера. Синхронизатор выполнен программным способом. Функции анализатора-преобразователя реализованы программно с использованием цифроаналогового преобразователя, также входящего в состав микроконтроллера. Выход цифроаналогового преобразователя является выходом устройства. Описание микроконтроллера приведено в книге: О.И.Николайчук. х51-совместимые микроконтроллеры фирмы Cygnal. - М: ООО «ИД СКИМЕН», 2002.The first sampling-storage element 6, the analyzer-converter 7, the oscillator 8, the synchronizer 9, the counter 10, the second sampling-storage element 11, the selector 13, the comparator 14 are made on the microcontroller C8051F007. In this case, the elements of the sample-storage, the master oscillator, counter, selector, comparator are part of the architecture of the specified microcontroller. The synchronizer is made programmatically. The functions of the analyzer-converter are implemented programmatically using a digital-to-analog converter, which is also part of the microcontroller. The digital-to-analog converter output is the output of the device. The description of the microcontroller is given in the book: O.I. Nikolaychuk. x51-compatible microcontrollers from Cygnal. - M: LLC ID SKIMEN, 2002.

Источник постоянного стабильного тока 1 может быть выполнен по схеме, приведенной в книге: У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982, с.175, рис.12.16.The constant constant current source 1 can be performed according to the scheme given in the book: W. Titze, K. Schenck. Semiconductor circuitry. - M .: Mir, 1982, p.175, fig. 12.16.

Первый 2 и второй 4 аналоговые ключи могут быть выполнены на одной микросхеме ADG413BN фирмы Analog Devices, представляющей собой четыре аналоговых ключа с прямыми и инверсными управляющими входами.The first 2 and second 4 analog keys can be executed on a single ADG413BN chip from Analog Devices, which is four analog keys with direct and inverse control inputs.

Вихретоковый преобразователь 3 представляет собой накладную катушку индуктивности, заключенную в диэлектрический корпус и подключенную к коаксиальному кабелю. Индуктивность катушки и емкость кабеля образуют параллельный колебательный контур.The eddy current transducer 3 is an overhead inductor enclosed in a dielectric housing and connected to a coaxial cable. The coil inductance and cable capacitance form a parallel oscillatory circuit.

Пиковый детектор 5 может быть выполнен по схеме, приведенной в книге: У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982, с.475, рис.25.18.Peak detector 5 can be performed according to the scheme shown in the book: W. Titze, K. Schenck. Semiconductor circuitry. - M .: Mir, 1982, p. 475, Fig. 25.18.

В целях подтверждения осуществимости заявленного объекта и достигнутого технического результата изготовлен и испытан опытный образец вихретокового датчика, выполненный в соответствии со структурной схемой, изображенной на фиг.1. При этом использовался вихретоковый преобразователь в виде накладной катушки диаметром 5 мм, сечением 1 мм², с количеством витков, равным 80, собственным активным сопротивлением 3,7 Ом, включенный в параллельный колебательный контур, емкость которого 490 пФ образована коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом и длиной 7 метров. В качестве контролируемого объекта использовался диск диаметром 40 мм и толщиной 4 мм из стали марки 30ХГСА. На фиг.4 приведена экспериментальная выходная характеристика устройства, отражающая зависимость выходного напряжения от зазора между торцом катушки и плоскостью диска, при двух температурах окружающей среды катушки. Проведенные испытания показали осуществимость заявленного способа вихретокового контроля, подтвердили его практическую ценность.In order to confirm the feasibility of the claimed object and the achieved technical result, a prototype eddy current sensor is made and tested, made in accordance with the structural diagram shown in figure 1. In this case, an eddy current transducer was used in the form of a patch coil with a diameter of 5 mm, a cross section of 1 mm ² , with a number of turns equal to 80, an own active resistance of 3.7 Ohms, included in a parallel oscillatory circuit, the capacitance of which 490 pF is formed by a coaxial cable with a wave resistance of 75 Ohm and a length of 7 meters. A disk with a diameter of 40 mm and a thickness of 4 mm made of steel grade 30KhGSA was used as a controlled object. Figure 4 shows the experimental output characteristic of the device, reflecting the dependence of the output voltage on the gap between the end of the coil and the plane of the disk, at two ambient temperatures of the coil. The tests showed the feasibility of the claimed method of eddy current control, confirmed its practical value.

Способ вихретокового контроля может применяться:The eddy current control method can be used:

- для измерения величины радиальной вибрации и осевого смещения валов турбин, компрессоров, электродвигателей и т.п.;- to measure the magnitude of radial vibration and axial displacement of the shafts of turbines, compressors, electric motors, etc .;

- для контроля теплового расширения деталей машин;- to control the thermal expansion of machine parts;

- в качестве датчика оборотов или фазового ключа;- as a speed sensor or phase key;

- в качестве бесконтактного концевого переключателя;- as a proximity switch;

- для контроля толщины диэлектрических покрытий на токопроводящем основании.- to control the thickness of dielectric coatings on a conductive base.

Claims

The eddy current control method based on the use of an eddy current transducer in the form of a parallel oscillatory circuit, which is installed in the control zone and connected to a constant current source, measures the voltage drop across the active resistance of the eddy current transducer coil, and then disconnects it from the constant current source to form eddy current transducer of its own damped oscillations, the attenuation of which is an informative parameter, which is judged on changes in the physicomechanical properties of the controlled object, characterized in that one of the periods of damped oscillations is distinguished, its amplitude and position on the time axis are measured relative to the beginning of the damped oscillations, after which the damped oscillations are forcedly damped, while the change is informative the amplitude of the period and the change in the position of the period on the time axis, and the magnitude of the voltage drop across the coil of the eddy current transducer is used to automatically Oh adjust the output gain.