Определение компонентов сигнала трехпараметрового вихретокового параметрического датчика Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 620.179.14

В.П. СЕБКО, д-р. техн. наук, НТУ "ХПИ",

И.В. ТЮПА, канд. техн. наук, НТУ "ХПИ",

А.И. КОТУЗА, НТУ "ХПИ"

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ СИГНАЛА ТРЕХПАРАМЕТРОВОГО ВИХРЕТОКОВОГО ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

Розглянута методика розрахунку вносимого повного опору параметричного електромагнітного перетворювача з циліндричним виробом. Отримані формули для визначення параметрів перетворювача при різних температурах.

The design procedure of brought full resistance of the parametrical electromagnetic converter with a cylindrical product is considered. Formulas for definition of parameters of the converter are received at different temperatures.

Постановка проблемы и анализ литературы. Использование параметрического преобразователя для контроля магнитных и электрических параметров изделий посвящено много работ [1 - 3].

В литературе есть работы, в которых дана методика расчета сигнала вихретокового преобразователя с цилиндрическим изделием для двухпараметрового неразрушающего контроля [4, 5].

Однако, в существующей литературе не описана методика расчета параметров параметрического преобразователя для совместного определения магнитной проницаемости, удельного электрического сопротивления и температуры цилиндрического изделия. Цель статьи - разработка такой методики.

Порядок расчета следующий: задаемся значениями температуры в диапазоне 0 - 180°С. Находим значения дг(1) и p(t) принимая линейные двухчленные зависимости цг(1) и p(t) от I.

При этом [6]:

p(0=pi + p1 ap (t -h); (1)

1 + ap- h

Иг (t ) = и r1 + -^^Mt -11), (2)

1 + a.. • t,

nr 1

где ар - температурный коэффициент сопротивления; a^ - температурный коэффициент магнитной проницаемости цилиндрического изделия; p и иг1 -удельное сопротивление и магнитная проницаемость материала изделия при нормальной температуре t1 = 200C. Зная p(t) и ^r(t) и добавив, задавшись радиусом а и обобщенным параметром х, находят частоту изменения зондирующего изделия магнитного поля по формуле

I = ~----Х2 ^ 2 , (3)

2-Л-Ц 0 -Ц г V )- а

где ц0 - магнитная постоянная; ц0 = 4л-10-7 Гн/м.

Далее определяем циклическую частоту

ю = 2 • л • I. (4)

Затем находим индуктивность преобразователя по формуле

ла 2 -Гн2

Ь = Цо----- —, (5)

где Шн - число витков намагничивающей обмотки; I - ее длина.

Далее определим индуктивное сопротивление. При этом:

х = ю • Ь . (6)

После этого находим параметр

х = ю • Ь -л, (7)

где "л - коэффициент заполнения [1, 5],

л=4, (8)

ап

где ап - радиус обмотки преобразователя.

Далее определим полное вносимое сопротивление обмотки параметрического электромагнитного датчика, как

^вн = -Ю •Ь -Л-Цг ^ш • К + 1-(1_Цг • КеК )-Ю- Ь -'Л-Цг . (9)

При этом модуль гвн определяют по формуле [1]

\*ш\ = ю-Ь-ц^(цг • 1шК)2 + (1-ц • ЯеК)2 . (10)

Модуль вносимого нормированного полного сопротивления обмотки найдем по формуле

^внн =^(Цг • 1шК)2 +(1 -ЦГ • КК)2 . (11)

ю-Ь-л

Фазовый угол гвн рассчитаем из выражения [1]

.8ф, = . (.2)

Цг • 1шК

Примем данные для расчета: температура изменяется от 0 до 180°С. При этом возьмем точки I = 20; 60; 100; 150°С. Комплексный параметр К, а также 1тК и ЯеК приведены в [1 - 3].

Для нержавеющей стали:

0,0008344 ~Р =0 1,К; аЦ = 3

При ( = 20°С (нормальная температура):

аР = 0,0008344 1/К; аЦ = --------------= 2,7813 • 10-4 1/К.

1 1 -7

р, = — =-------------= 7,41-10 Ом • м; цн = 1,5 при Ь = 20°С. Значение

ст 0,135-107

обобщенного параметра при t = Ь равно 2,5, Ь = 20°С.

Исходные данные: а = 10 • 10 3 м; ап = 19 • 10 3 м; I = 0,5 м; Жн = 289 витков; значение К, характеризующего удельный нормированный магнитный поток в изделии на единицу ц г и его фазу, взято из таблицы работы [7]. Для х = 2,5: К = 0,72724 ; ф = 31,26 град.

Найдем из выражения (5)

г „ ,п-7 л-(10-10-3)2 • 2892 1П-5 ^

Ь = 4л-10 --------------------= 6,588 -10 Ом - м .

0,5

Тогда значение частоты при I = ^ = 20°С получим:

2-----------52 - 7 41-10-7 f =---------, 7-------------ГГ = 3914,33 Гц.

2 -л- 4л -10 -1,5(10-10-3)2

Тогда циклическая частота находится из (4): ю = 24582,006 Гц.

Найдем из таблицы работы [7] значения реальной и мнимой частей параметра К для х = 2,5 при I = 11, причем ЯеК = 0,621629,

1т К = -0,377429.

Найдем модуль полного вносимого электрического сопротивления исходя из (10)

1^ | = 6,59 -10-5 - 24582,006 - 0,277 +

+ 7(1,5 - (- 0,377429))2 + (1 -1,5 - 0,621629)2 = 0,25767579 Ом.

При этом коэффициент заполнения равен

(10-10-3)2 л = -(------гг = 0,277 .

(19-10 -3)2

После определим модуль полного нормированного вносимого сопротивления обмотки преобразователя по формуле (11)

__________0,25767579__________

внн 6,59 -10-5 - 24582,006 - 0,277

-^(1,5 -(- 0,377429))2 +(1 -1,5 - 0,621629^ = 0,329748499.

И, наконец, фазовый угол вносимого полного сопротивления находят по формуле для х = 2,5

1 -1,5 - 0.621629

фв = агйг-----------------т-г = -0,118766.

1,5 -(- 0.377429)

Значения цr (t) слабо зависят от t до 150°C для нержавеющей стали. А

вот p(t) изменяется (возрастает). При t = 60; 100; 150°C; р(60) = 22,06 -10-7 ; р(100) = 36,72 • 10~7 ; р(150) = 55,02 • 10~7.

Тогда: /(60) = 11030.4 Гц; f (100) = 17606,4 Гц; f (150) = 24873,4 Гц при условии, что х = 2,5; ю= 110568,2 Гц; ю= 156204,95 Гц.

Будем поддерживать состояние x постоянным и равным 2,5 путем изменения частотыf при этом поддерживается постоянной фаза ф [3, 7].

В данном случае изменение цг (t) и p(t) из-за температуры будет компенсироваться частотой f Действительно, для того, чтобы поддерживать х = 2,5 = const, нужно иметь:

Отсюда видно, что незначительное возрастание и (I) и увеличение p(I) можно компенсировать увеличением частоты f поля для того, чтобы поддерживать х = 2,5 = const. В таком случае, если считать, что и (I) = 1,5, то можно отметить, что все данные [3, 7] сохраняться такими же, а будут изменяться только частоты поля при t = 60, t = 100, t = 150 °C.

Выводы. Таким образом, рассмотрена методика расчета вносимого полного сопротивления и его фазового угла параметрического электромагнитного преобразователя с цилиндрическим изделием. Получены основные соотношения для определения параметров параметрического преобразователя при температурах 60; 100; 150°C.

Список литературы: 1. Горкунов Б.М., Себко В.П., Тодоров Е.И. Вихретоковый параметрический преобразователь с улучшенными характеристиками // Дефектоскопия. - 1985. - N° 5. - С. 63 - 68. І. Баштанников Л.А., Бондаренко В.И., Себко В.П., Тюпа И.В. Определение электромагнитных характеристик материала сплошных цилиндрических изделий // Дефектоскопия. - 1985. - 8 -

С. 5 - 9. 3. Себко В.П., Мохаммед Махмуд, Мохаммед Дарвиш. Теория работы параметрического электромагнитного преобразователя для контроля электромагнитных параметров и потерь мощности в цилиндрическом изделии // Вестник НТУ "ХПИ". - Харьков: НТУ "ХПИ", 2001. -5. - С. 151 - 156. 4. Себко В.П., Горкунов Б.М., Котуза А.И. Параметрический

электромагнитный преобразователь температуры // Информацинные технологии: паука, техника, образование, здоровье. Сборник научных трудов ХГПУ. - Харьков: ХГПУ, 1998. - Вып. 6. - Ч.2. -С. 301 - 303. 5. Себко В.П., Кириченко Р.И. Электромагнитный метод определения двух параметров проектного изделия на основе экстремума фазового угла преобразователя I Збірник наукових праць третьої конференції "Метрологія та вимірювальна техніка" (Метрологія - 2002). -Харьков, 2002. - Х 9. - Т. 4. - С. 129-132. б. Электрические измерения неэлектрических величин I Под ред. П.В. Новицкого. - Л.: Энергия. - 576 с. 7. Бондаренко В.И., ГоркуновБ.М., Себко В.П. К оценке погрешностей проходным вихретоковым преобразователем при многопараметровых измерениях // Дефектоскопия. - 1984. - 6. - С. 84-89. S. Гончаров Б.В. Теория и практика

безэталонных электромагнитных методов контроля. - М.: Машиностроение. - 1975. - 40 с.

(13)

Поступила в редакцию 21.10.2006