Бесконтактный комплексный многопараметровый вихретоковый контроль образцов слабоферромагнитных и ферромагнитных жидких сред Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 620.179.14

В.В. Себко, А.Ю. Верба

БЕСКОНТАКТНЫЙ КОМПЛЕКСНЫЙ МНОГОПАРАМЕТРОВЫЙ ВИХРЕТОКОВЫЙ КОНТРОЛЬ ОБРАЗЦОВ СЛАБОФЕРРОМАГНИТНЫХ И ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЖИДКИХ СРЕД

Розроблено безконтактний комплексний вихорострумовий багатопараметроеий метод контролю параметрів зразків слабоферомагнітних та феромагнітних рідин на базі двох схем включення теплового трансформаторного вихорост-румового датчика (ТВД).

Разработан бесконтактный комплексний вихретоковый многопараметровый метод контроля параметров образцов слабоферромагнитных и ферромагнитных жидкостей на базе двух схем включения теплового трансформаторного вихретокового датчика (ТВД).

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время особое значение приобретают методы и устройства измерительного контроля физико-химических параметров немагнитных и магнитных жидкостей используемых в промышленном производстве. Разработанные в 50-90-х годах прошлого века (как правило, однопараметровые) методы определения магнитных, электрических и температурных параметров ферромагнитных жидкостей, несмотря на свои достоинства: простота схемных реализаций, низкие затраты при измерении информативных параметров, возможность контроля одного или двух параметров широкого ассортимента жидких сред, имели существенный недостаток, связанный с невысокой параметрической надёжностью, что приводило в свою очередь, к уменьшению межповерочных интервалов, причём надёжность устройств измерения параметров жидкостей снижалась независимо от того, эксплуатируются эти устройства или нет, другим недостатком известных методов является возникновение больших погрешностей измерений [1]. В этом плане представляет важный теоретический и практический интерес совместный измерительный многопараметровый контроль промышленных жидкостей методами, которые реализуются на основе электромагнитных (вихретоковых) преобразователей. Достоинствами вихретоковых методов и средств контроля являются: простота функций преобразования и схемных реализаций, высокая надёжность и чувствительность, возможность лёгкой автоматизации измерительного контроля, быстрая обработка данных при подключении к современным вычислительным устройствам, сравнительно малые погрешности измерений [2, 3].

В общем случае, основными параметрами математической модели системы вихретоковый датчик - проба контролируемой жидкости являются: намагниченность ], относительная магнитная проницаемость дг, удельная электрическая проводимость с и температура /.

Сам термин многопараметровый вихретоковый метод, применительно к практике косвенных электромагнитных измерений параметров изделий и сред, возник в начале 60-х годов прошлого века, при этом смысл его заключался в том, что какой-либо измеряемый параметр контролируемого объекта (изделия или среды), определялся не по одному, а по нескольким, по возможности независимым, компонентам сложного, специальным образом сформированного сигнала

вихретокового датчика [3, 4].

В настоящей статье будет исследована возможность использования теплового трансформаторного вихретокового датчика (ТВД) для измерительного контроля параметров магнитных жидкостей, что обусловлено сравнительной простотой универсальных функций преобразования ТВД и отсутствием влияния на результаты измерений температурной погрешности, вызванной изменением сопротивления намагничивающей обмотки. Теория работы ТВД применительно к контролю параметров изделий широкого ассортимента и немагнитных сред описана в работах [4-9]. Однако на сегодняшний день не исследованы комплексные вихретоковые методы для одновременного контроля параметров образцов как слабоферромагнитных, так и ферромагнитных жидкостей, наиболее часто используемых современной промышленностью (например, в аппаратах для очистки вод загрязнённых нефтепродуктами используются магнитные жидкости, основа которых родственна загрязнениям), на базе различных схем включения тепловых ТВД.

Поэтому, возникает важная научно-практическая проблема, суть которой состоит в создании теории работы тепловых ТВД с контролируемыми слабоферромагнитными и ферромагнитными жидкостями при реализации новых комплексных вихретоковых методов.

В данном случае, имеется в виду бесконтактный измерительный контроль не только промышленно-изготавливаемых жидкостей, но и охлаждающих, например, трансформаторных масел в которых может накапливаться ферромагнитный порошок. Следует отметить, что измерительный контроль магнитных, электрических и температурных параметров контролируемых охлаждающих жидкостей, позволяет провести их отбраковку по количеству примесей [11].

Таким образом, целью работы является создание комплексного метода многопараметрового вихретокового контроля магнитных, электрических и температурных параметров проб слабоферромагнитных и ферромагнитных жидкостей на базе теплового трансформаторного вихретокового датчика (ТВД).

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Привести схемы включения тепловых ТВД с контролируемыми пробами слабоферромагнитных и ферромагнитных жидкостей.

2. На основании схем включения и новых алго-

ритмов измерительного контроля, разработать бесконтактный комплексный многопараметровый вихретоковый метод контроля намагниченности /, удельного электрического сопротивления р и температуры t проб слабоферромагнитных жидкостей, а также относительной магнитной проницаемости дг, удельного электрического сопротивления д и температуры t образцов ферромагнитных жидкостей.

Как уже отмечалось выше, теория работы ТВД с контролируемыми изделиями разных конфигураций и немагнитными жидкими и воздушными средами рассмотрена в работах [4-9]. Контактные вихретоковые методы, применительно к контролю немагнитной жидкой среды (5 % раствора серной кислоты) и к ферромагнитной жидкой среде = 55 (машинное масло с дисперсным ферромагнитным порошком) исследованы в работах [10, 11]. Таким образом, на сегодняшний день практически отсутствует методология бесконтактного вихретокового контроля многих параметров слабоферромагнитных и ферромагнитных жидких сред на основе комплексных вихретоковых методов, использующих схемы включения тепловых ТВД. Следует отметить, что применение известных вихретоковых методов контроля параметров изделий и веществ, основанных на измерении ЭДС ТВД ЕЕ и фазового угла фо [5-8], ограничивало бы ассортимент контролируемых магнитных жидкостей, поскольку измерительный контроль намагниченности/, удельного электрического сопротивления р и температуры t слабоферромагнитных жидких проб, был бы затруднён из-за возникновения больших значений погрешностей измерений компонентов сигналов теплового ТВД, т.е. ЕЕ и ф0.

Следует отметить, что определение разностной ЭДС теплового ТВД Евн и её фазы фвн [4], позволяет получить высокие значения точности и чувствительности при измерительном контроле магнитных, электрических и температурных параметров слабоферромагнитных жидкостей - коллоидных растворов ферромагнитных частиц, подверженных броуновскому движению (малые размеры частиц, препятствующие их оседанию). В этом случае при контроле слабоферромагнитных и магнитных жидкостей силовые гравитационные поля можно не учитывать, так как все частицы уравновешивает вязкость ферромагнитной жидкости (вязкость любой текучей системы связана с так называемым внутренним трением или силой трения [1]). В свою очередь, центробежная сила уравновешивается силой притяжения ферромагнитных частиц в однородном магнитном поле. На рис. 1 с учётом схемных реализаций приведенных в работах [3-9], показана схема включения теплового ТВД для контроля параметров /, ри t пробы слабоферромагнитной жидкости.

Схема содержит генератор Г синусоидальных сигналов, частотомер Ч, амперметр А, образцовое сопротивление Я0, вольтметры Вь В2 и В3, рабочий преобразователь РП, компенсационный КП и опорный ОП, а также фазометр Ф [4].

На вторичной обмотке РП регистрируется разностная ЭДС контролируемой пробы жидкости ЕвнжЬ а на первичной обмотке ОП, вольтметром В3 измеряется ЭДС £0, обусловленная магнитным потоком Ф0 в

ТВД при отсутствии контролируемой пробы.

Схема также включает в себя ГУ, для изменения температуры пробы жидкости - ПЖ в диапазоне температур t [20...100°С]. ПЖ находится в стеклянной трубке, которая размещается в охватывающем трубку ГУ, в свою очередь, расположенном в РП. На трубку наклеиваются платиновые терморезисторы ПТ (контрольный метод измерения температуры ПЖ). Фазометром Ф измеряют фазовый угол фв^ между ЭДС Е0 и Евнж1: [4, 9]. Точками в схеме включения теплового ТВД с контролируемой пробой жидкости обозначены соединения обмоток. В результате внесения ПЖ в РП появляется ЭДС ЕвнжЬ которая при нагреве контролируемой пробы с помощью ГУ, зависит от температуры t. Схема на рис. 1 применяется для измерительного контроля магнитных, электрических и температурных параметров проб слабоферромагнитных жидкостей при значении намагниченности />1. При />>1 мы переходим ко второй схеме включения теплового ТВД, приведенной на рис. 2.

Рис. 1. Схема теплового ТВД для контроля параметров ], р и ґ пробы слабоферромагнитной жидкости

Схема включения теплового ТВД с контролируемой пробой ферромагнитной жидкости, приведенная на рис. 2, включает в себя Г - генератор, Ч - частотомер, амперметр - А, Ф - фазометр, вольтметры В1, В2 и В3 [3-8], а также греющее устройство ГУ в котором находится ПЖ. В отличие от схемы на рис. 1, в схему на рис. 2 входит только два идентичных преобразователя РП и КП [3-8]. РП - даёт возможность определять Е^ж1, а ОП - Е0. При наличии в РП пробы жидкости ПЖ фазовый угол ф0 (между Е0 и Е^ж1) измеряют Ф [3-8].

Опорная ЭДС теплового ТВД с контролируемой жидкой пробой Е0, измеряется с помощью схемы на рис. 1 или определяется по формуле [5-7]

Ео = 4М-/-№и-ро-п-а2-И. (1)

Выражение для определения намагниченности ] пробы слабоферромагнитной жидкости выглядит следующим образом

^ (Ец жґ - 4,44ЖиР-О^д Iн^н )

] =-

(2)

где /д - длина намагничивающей обмотки теплового ТВД; /- частота магнитного поля зондирующего пробу жидкости; - число витков измерительной об-

мотки; До - магнитная постоянная; 1Н - намагничивающий ток; - число витков намагничивающей

обмотки; аж - радиус контролируемой жидкой пробы.

Рис. 3а. Векторная диаграмма ЭДС и фазовых углов теплового ТВД с контролируемой пробой слабоферромагнигной жидкости

Рис. 2. Схема включения теплового ТВД для контроля магнитных, электрических и температурных параметров образцов ферромагнитных жидкостей

С учётом результатов, полученных в работах [3-9], приведём векторные диаграммы ЭДС и фазовых углов теплового ТВД с контролируемыми пробами слабоферромагнитных и ферромагнитных жидкостей (рис. 3,а-б). Здесь Е^-ж1 - суммарная ЭДС, включающая в себя ЭДС Е2ж1, обусловленную магнитным потоком Ф2 внутри контролируемой пробы и ЭДС Е\, обусловленную магнитным потоком, проходящим между измерительной обмоткой теплового ТВД и контролирумой пробой жидкости Ф\. Вносимая в тепловой ТВД ЭДС ЕЪ1аЛ, равна геометрической разности ЭДС Е^ и Е0.

На рис. 3,а-б также обозначены: ф0 - фазовый угол между векторами Е0 и Е^; - зависимый от

температуры фазовый угол между Е0 и Е2-ж1; фв^ -фазовый угол между Е0 и Еввж1. Схема, приведенная на рис. 1, позволяет достаточно точно контролировать намагниченность/, удельное электрическое сопротивление pжt и температуру иж проб слабоферромагнитных жидкостей.

Рис. 36. Векторная диаграмма ЭДС и фазовых углов теплового ТВД с контролируемой пробой ферромагнитной жидкости

Для того, чтобы спроектировать установку для измерительного контроля параметров проб магнитных жидкостей на базе теплового ТВД, а также определить диапазоны изменения сигналов теплового ТВД соответствующие диапазонам изменения параметров проб магнитных жидкостей, приведём формулы для определения модуля ЭДС |£хжґ и фазового угла ф^. Воспользовавшись векторными диаграммами на рис. 3,а-б и применив известный символический метод операций с комплексными числами [5], запишем

EZ ж t ЕВНЖ t + E0

E

jat _

= E

-0 ж>

./Фвнжt ^ Eo ejb^tK

e~ ./Фвн + E

T 1^0 ж •

Далее, применив формулу Эйлера, получим

внж te

EZ ж t Евнжte

(3)

(4)

(5)

EZ ж t Евнж t (cos Фвнж t І 5ІИфвнж t) + E(

EZ ж t Евнж t cos Фвнж t І sin Фвнж t-EBHЖ t ^ E0

(6)

-0 ж • (7)

Применив теорему Пифагора, получим выражение для модуля ЭДС Ez-xi

Es - ti = № внжг cos Фвнжг )+ Е0ж )2 +{Евнж1 sin 9B™t )2 (8)

Воспользовавшись теоремой косинусов, запишем

|EZ ж t| _ VЕвнж t + Е0ж _ 2Евнж tE0 ж cos Фвнж t • (9)

Выражение для определения tgфoж, с учётом работ [3-9], имеет вид

1ВФ0 ж = —

ап Евнж t sin Фвнжt

(10)

Евнж I 005 Фвнж Г а Е0

Следовательно, измерив с помощью схемы на рис. 1 ЭДС Еъш«1, мы можем определить tgф0 по формуле (10).

Воспользовавшись теоремой косинусов с учётом векторных диаграмм на рис. 3,а-б, получим формулы для расчёта ЭДС Е2-м и фазы ф^

4

Е2 ж t -л/ EZ ж t + Е0ж _ 2EZ ж tE0 ж cos Ф 0 ж t , (11)

^ёФж t

EZ Ж t sinФо ж t

е гг (12)

ЕЕ ж Г 005 Ф0 ж Г _ Е0 ж

С учётом работ [3-9] для определения относительной магнитной проницаемости ферромагнитной жидкости дгжй предварительно измерив с помощью схемы на рис. 2 компоненты сигналов теплового ТВД: Еъ Е0, фо, приведем следующее выражение

_ V Е| ж г + Е0ж _ 2Е£ ж ,е0 ж 005 Ф 0 ж г

(13)

Г Ж t

пробы слабоферромагнитной жидкости выражение ДЛЯ определения Ржъ имеет следующий вид

(я + у )юц 0 Е2 «д

х 2 Е0 кж Я

(14)

Удельное электрическое сопротивление пробы ферромагнитной жидкости, зондируемой продольным магнитным полем теплового ТВД, находят из выражения

где "л - коэффициент заполнения теплового ТВД пробой жидкости; кжг - удельная нормированная величина ЭДС в контролируемой пробе на единицу дгж1.

Величину кжг находят из табл. 1 с учетом работ [3-9], для проб магнитных жидкостей в зависимости от обобщенного магнитного параметра хж1 (предварительно определив угол фжг по формуле (12)), включающего в себя значения магнитной проницаемости жидкости дгжй удельного электрического сопротивления ржг, частоты /ж, магнитной постоянной д0 и радиуса аж [3-9].

Затем находят удельное электрическое сопротивление ржг проб слабоферромагнитных и ферромагнитных жидкостей, предварительно определив ЭДС Е2-ж1 и фазовый угол tgфжí по формулам (11) и (12). Для

Таблица 1

Зависимости амплитуды и фазы сигнала теплового ТВД с контролируемыми образцами жидкостей

от обобщенного магнитного параметра хж1

Р ж г _

Н-0®ац^Е'£,жг ^Е0ж 2ЕЕжгЕ0ж с°®Фожг Е0 хж гкж г

. (15)

хжг кж1 фжг * & ад хжг кж1 фжг * & ад

0 0 0 0 5,2 0,359497 40,553 0,707783

0,2 0,999979 0,286 0,004992 5,4 0,34706 40,717 0,710646

0,4 0,999667 1,146 0,020001 5,6 0,335473 40,876 0,713421

0,6 0,998318 2,574 0,044925 5,8 0,324638 41,028 0,716074

0,8 0,994717 4,559 0,07657 6,0 0,314476 41,173 0,718604

1,0 0,987275 7,07 0,123395 6,2 0,304924 41,31 0,720996

1,2 0,974239 10,045 0,175318 6,4 0,295927 41,44 0,723264

1,4 0,954059 13,382 0,23356 6,6 0,287437 41,562 0,725394

1,6 0,925849 16,939 0,295641 6,8 0,279415 41,677 0,727401

1,8 0,889775 20,546 0,358595 7,0 0,271824 41,784 0,729268

2,0 0,847162 24,024 0,419298 7,2 0,264632 41,884 0,731014

2,2 0,800221 27,221 0,475096 7,4 0,257808 41,978 0,732654

2,4 0,751507 30,027 0,52407 7,6 0,251326 42,066 0,73419

2,6 0,703368 32,389 0,565295 7,8 0,245163 42,149 0,735639

2,8 0,657592 34,303 0,5987 8,0 0,239294 42,227 0,737

3,0 0,615292 35,805 0,624915 8,2 0,2337 42,301 0,738292

3,2 0,576979 36,952 0,644934 8,4 0,228362 42,371 0,739513

3,4 0,542715 37,811 0,659926 8,6 0,223263 42,438 0,740683

3,6 0,512274 38,449 0,671062 8,8 0,218388 42,501 0,741782

3,8 0,48528 38,925 0,679369 9,0 0,21372 42,561 0,74283

4,0 0,461295 39,286 0,68567 9,2 0,209249 42,618 0,743824

4,2 0,439888 39,572 0,690662 9,4 0,204961 42,672 0,744767

4,4 0,420662 39,808 0,694781 9,6 0,200845 42,724 0,745674

4,6 0,403273 40,015 0,698394 9,8 0,196891 42,774 0,746547

4,8 0,387432 40,204 0,701692 10 0,19309 42,822 0,747385

5,0 0,372904 40,382 0,704799

Приведём формулу для определения температуры г контролируемой пробы слабоферромагнитной жидкости

ЮН- о Е2 ж га-а

\

-1

+ ¿тт

(16)

г _ 1 + а ж ¿н х

ЧР н хж г Е0 ж гк ж г

где аж - температурный коэффициент сопротивления; 4 - начальная температура, гн = 20°С; рн - удельное электрическое сопротивление при температуре 4 = 20°С.

Температуру пробы ферромагнитной жидкости, находим из выражения

юр. 0 ап^Е,^ ж г + Едж 2Е^ ж гЕ0 ж с°8 Ф 0 ж г

.(17)

+ ¿т.

Рн-^ж гЕ0 ж гкж г

Таким образом, алгоритм измерительного контроля магнитных, электрических и температурных параметров контролируемых проб магнитных жидкостей следующий, сначала измеряем с помощью схемы на рис. 1 ЭДС ЕвнжЬ Еож, фазовый угол фвнжг и частоту

У*. Затем определяем намагниченность у по формуле (2). Если у > 1, находим параметры х-ж1 и кжі по табл. 1 (предварительно измерив и ф0ж). Затем определя-

ем Е2ж1 и tgфжí, воспользовавшись векторной диаграм-мой на рис. 3,аи формулами (11) и (12). Далее находим удельное электрическое сопротивление ржґ и температуру ґ по формулам (14) и (16). Если же у >> 1, сразу переходим к схеме включения теплового ТВД на рис. 2 и измеряем Е^, Е0ж и ф0жґ. Затем, воспользовавшись векторной диаграммой на рис. 3,6 и формулами (11) и (12), находим Е2жі и tgфжí пробы ферромагнитной жидкости и определяем параметры хжґ и кжґ по табл. 1. После чего, по формулам (13), (15) и (17) находим относительную магнитную проницаемость цгжґ, электрический параметр ржґ и температуру ґ контролируемой пробы ферромагнитной жидкости.

Таким образом, в настоящей статье предложен бесконтактный комплексный многопараметровый вихретоковый метод контроля магнитных, электрических и температурных параметров образцов слабо-ферромагнитных и ферромагнитных жидкостей на базе двух схем включения тепловых ТВД.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

В настоящей статье определены основные пути решения важной научно-практической проблемы, связанной с созданием теории работы тепловых ТВД с контролируемыми слабоферромагнитными и ферромагнитными жидкостями при реализации новых бесконтактных комплексных многопараметровых вихретоковых методов. В рамках решения этой проблемы приведены схемы включения тепловых ТВД с контролируемыми пробами слабоферромагнитных и ферромагнитных жидкостей.

Разработан бесконтактный комплексный многопараметровый вихретоковый метод контроля намагниченности у, удельного электрического сопротивления р и температуры ґ образцов слабоферромагнитных жидкостей, а также относительной магнитной проницаемости цг, удельного электрического сопротивления р и температуры ґ образцов ферромагнитных жидкостей.

Научной новизной настоящей статьи являются полученные теоретические основы работы тепловых ТВД с контролируемыми пробами слабоферромагнитных и ферромагнитных жидкостей, которые позволили разработать бесконтактный комплексный вихретоковый многопараметровый метод неразрушающего контроля магнитных жидкостей.

Практическим значением работы является то, что предложенный бесконтактный комплексный многопараметровый вихретоковый метод может быть использован во время пооперационного контроля магнитных жидких сред при их промышленном изготовлении.

Перспективой дальнейших исследований является создание методов и устройств неразрушающего контроля парамагнитных жидкостей, широко используемых во многих отраслях промышленности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фертман В.Е. Магнитные жидкости. Минск: Высшая школа, 1988. - 183 с.

2. Кифер П.П. Испытания ферромагнитных материалов. -М.: Энергия, 1969. - 360 с.

3. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник / Под ред. В.В. Клюева. - Кн. 2. - М.: Машиностроение, 1986. - 351 с.

4. Гончаров Б.В. Теория и практика безэталонных электромагнитных методов контроля. - М.: Машиностроение, 1975. - 40 с.

5. Себко В.П. Проходной датчик для измерения электромагнитных характеристик проводящих объектов. - Сб. Вестник Харьковского политехнического института "Автоматика и приборостроение". - Изд-во при "ХПИ" издательского объединения "Вища школа". - Харьков. - 1982. - № 188. - Вып. 8. - С. 24-28.

6. Себко В.П., Сомхиева О.С. Определение ожидаемых значений сигналов дифференциального двухпараметрового преобразователя // Український метрологічний журнал. -Харків. - 2000. - Вин. 1. - С. 50-53.

7. Себко В.П., Горкунов Б.М., Ду Хиан Янг. Погрешности трехпараметровых измерений электромагнитным преобразователем // Вестник Восточно-украинского нац-го ун-та. -Луганск: ВУНУ. - 2002. - № 8. - С. 217-223.

8. Себко В.П., Себко В.В. Вихретоковые методы и преобразователи для определения температуры изделий и сред // Харьков: ХГПУ. - 1999. - Вып. 24. - С. 10-16.

9. Себко В.В. Многофункциональное вихретоковое устройство для совместного измерения радиуса, магнитной проницаемости, удельного электрического сопротивления и температуры цилиндрических изделий // Технічна електродинаміка. - Київ: Ін-т електродинаміки НАНУ. - 2002. -Тем. випуск. Ч. 3. - С. 101-104.

10. Себко В.В. Використання теорії теплового контактного вихорострумового перетворювача (КРП), стосовно сумісного контролю трьох параметрів немагнітної речовини // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2008. -Вып. У4 (33). - С. 39-43.

11. Себко В.В. Определение параметров ферромагнитной жидкости с помощью контактного рабочего преобразователя КРП // Вісник НТУ "ХПТ. - 2006. - № 44. - С. 15-24.

Поступила 25.11.2010

Себко Вадим Вадимович, д.т.н., доц.,

Верба Анна Юрьевна

Национальный технический университет

"Харьковский политехнический институт"

кафедра "Химической техники и промышленной экологии"

61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21

тел. (057) 707-61-55, e-mail: Sebkov@mail.ru

V.V. Sebko, A.Yu. Verba

The noncontact complex multiparameter eddy-current control of samples of the weak-ferromagnetic and ferromagnetic liquid.

The noncontact complex eddy-current multiparameter method of the control of the parameters of the weak-ferromagnetic and ferromagnetic liquid samples on the basis of two circuits of the thermal transformer eddy-current sensor (TES) is developed.

Key words - transformer eddy-current sensor (TES), magnetic liquid, complex eddy-current method, samples of the weak-ferromagnetic liquid, reference EMF, angle of phase displacement, control of parameters.