Лекция № 8. Вихретоковые индуктивные преобразователи

Вихретоковый преобразователь (Eddy current probe) - устройство, состоящее из одной или нескольких индуктивных обмоток, предназначенных для возбуждения в объекте контроля вихревых токов и преобразования зависящего от параметров объекта электромагнитного поля в сигнал преобразователя.

Вихретоковые преобразователи предназначены для бесконтактного измерения вибрации перемещения и частоты вращения электропроводящих объектов. Они используются для диагностики состояния промышленных турбин, компрессоров, электромоторов. Наиболее часто объектом контроля является осевое смещение и радиальная вибрация вала ротора относительно корпуса.

Вихретоковый преобразователь обычно состоит из бесконтактного вихревого пробника, удлинительного кабеля и электронного блока (рис.8.1). Преобразователь представляет собой металлический зонд с диэлектрическим наконечником (в который заключена катушка) на одном конце и отрезком коаксиального кабеля на другом. С помощью коаксиального удлинительного кабеля пробник подключается к электронному блоку.

Электронный блок вырабатывает сигнал возбуждения пробника и осуществляет выделение информативного параметра. Выходным сигналом является электрический сигнал, прямо пропорциональный расстоянию от торца вихревого пробника до контролируемого объекта.

Рис.8.1

Возбудителями и приемниками электромагнитных полей в ближней, локальной зоне служат катушки индуктивности. Выполняя роль передающей и приемной антенн, они являются основой. Если контролируемая деталь помещается внутрь катушки преобразователя, его называют проходным. Катушку в оправке можно погрузить в жидкость, тогда датчик называют погружным. Если катушка накладывается торцом на деталь, датчик называют накладным.

Принцип работы

Принцип действия вихретокового преобразователя основан на изменении индуктивности и взаимоиндуктивности катушек при при­ближении к ним проводя­щего тела. Глубина про­никновения электромагнитной волны в материал определяется формулой z_0,05= √2/(ωμγ).

Рис. 8.2

На низких частотах (50 Гц) для меди и алюминия значение z_0,05 составляет около 10 мм, на высоких частотах (500 кГц) глубина проникновения уменьшается до 0,1 мм. На рис. 8.2 показано, как искажается магнитное поле ка­тушки при приближении проводящей пластины. Присутствие вблизи витка с переменным током проводящей среды приводит к изменению его первоначального поля и электрических параметров витка, т.е. его активного и реактивного сопротивления: активное сопротивление витка увеличивается за счет роста потерь в проводящей среде, а индуктивное сопротивление уменьшается.

Значение вносимых сопротивлений R _вни Х _внзависит при постоянной частоте питания и гео­метрических размерах обмотки от расстояния δ от обмотки до пластины, электрической прово­димости и толщины пластины, пока толщина не превышает величины d = 2Z_0,05.

В качестве примера на рис. 8.3 приведены зависимости относительного изменения активно­го и индуктивного сопротивлений витка радиу­сом R, находящегося над проводящим полупро­странством, от α=2δ/R и β = √2R/ z_0,05.

Вихретоковые преобразователи находят са­мое широкое применение в области бесконтакт­ного контроля линейных размеров тонких пла­стин и толщины покрытий (индукционная толщинометрия) и обнаружения дефектов — поверх­ностных царапин и трещин. Для этих целей используются накладные (рис. 8.4, а), экранные (рис. 8.4, б) и щелевые (рис. 8.4, в) датчики.

Рис. 8.3

Рис.8.4

Применять вихретоковые датчики для изме­рения перемещения, очевидно, имеет смысл толь­ко в тех случаях, когда датчик не должен иметь ферромагнитных включений, так как чувствительность вихретокового преобразователя к перемещению в 5—20 раз меньше чувствительности такого же по габаритам индуктивного преобразователя с катушкой, помещенной в магнитопровод с перемещающимся сердечни­ком. Кроме того, вихретоковые преобразователи имеют большие по­грешности, обусловленные главным образом температурными изме­нениями электрической проводимости проводящего тела.

В торце диэлектрического наконечника вихревого пробника находится катушка индуктивности (рис.8.5).

Рис.8.5

Электронный блок обеспечивает возбуждение электромагнитных колебаний в катушке, в результате чего возникает электромагнитное поле, которое взаимодействует с материалом контролируемого объекта.

Если материал обладает электропроводностью, на его поверхности наводятся вихревые токи, которые, в свою очередь, изменяют параметры катушки - ее активное и индуктивное сопротивление. Параметры меняются при изменении зазора между контролируемым объектом и торцом датчика.

Электронный блок преобразует эти изменения в электрический сигнал, осуществляет его линеаризацию и масштабирование.

Частотные характеристики

Вихретоковые преобразователи обладают хорошим частотным откликом (реакция на изменение расстояния между торцом пробника и объектом контроля).

Частотный диапазон может достигать
0 - 10 000 Гц. При этом неравномерность амплитудно-частотной характеристики не превышает 0,5 дБ.

Вход и выход

Входным параметром вихретокового преобразователя является величина зазора между торцом пробника и электропроводящим объектом. Величина измеряемого зазора составляет несколько миллиметров и зависит от диаметра катушки, заключенной в торце диэлектрического наконечника. Выходной сигнал, пропорциональный измеряемому зазору, может быть представлен в виде напряжения, тока или в цифровом формате (определяется типом системы наблюдения).

Для электронных блоков с выходным сигналом в виде напряжения указывают чувствительность (коэффициент преобразования зазора в электрический сигнал), которая в большинстве случаев составляет 8 мВ/мкм. Часто для сопряжения вихретокового преобразователя с типовыми системами мониторинга необходимо дополнительное преобразование выходного напряжения в формат 4 - 20 мА токовой петли или в цифровой вид.

Радиальная вибрация

Для измерения величины радиальной вибрации, как правило, используют два датчика, установленные перпендикулярно валу и развернутые относительно друг друга на 90^o (рис.8.6).

Рис.8.6

Ортогональное X-Y размещение пробников улучшает диагностические возможности, поскольку позволяет получать как суммарную информацию, так и раздельную по каждой координате, а при наличии соответствующих средств мониторинга позволяет визуально наблюдать орбиту движения вала в радиальной плоскости. Кроме того, измерение векторов вибросмещения в нескольких плоскостях позволяет построить линию динамического прогиба вала.

Осевое смещение

Для измерения осевого сдвига датчик размещают перпендикулярно плоскости торца вала и (или) плоскости измерительного буртика (рис. 8.7).

Рис.8.7

В некоторых случаях для надежности используют два датчика (основной и резервный).

Частота вращения

Вихретоковые преобразователи часто используются для измерения частоты вращения ротора (рис. 8.8). Формирование отклика датчика обычно обеспечивается небольшим углублением на валу, полученным методом фрезерования. Такой датчик можно использовать совместно с X-Y датчиками радиальной вибрации. В этом случае датчик выполняет функции формирователя фазовой метки, относительно которой определяется ориентация орбиты движения вала. Для формирования отклика датчика могут использоваться конструктивные особенности ротора, например, наличие шестерни.

Рис.8.8

Вихретоковый метод обладает исключительной точностью, поскольку не только не имеет нижнего предела по частоте, но и не требует математической обработки результатов измерения ввиду прямого соответствия выходного сигнала текущему смещению вала или измерительного буртика относительно корпуса.