CC BY
138
.........4 Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
я
\ УДК 531.714.2.084.2 ■
■
я
А. Г. Дмитриенко, Д. И. Нефедьев, А. А. Трофимов
я
я
я
ВИХРЕТОКОВЫЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ I ДЛЯ БЕСКОНТАКТНЫХ ДАТЧИКОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
и
я
я
я
я
•
Аннотация. Рассматриваются варианты построения датчиков перемещений на основе вихретоковых чувствительных элементов с различными вариантами конструктив-I ного исполнения.
я
я
Abstract . Variants of construction of sensors of moving on a basis of vortex-current sensitive elements with various variants of a design are considered.
■
Ключевые слова: датчико-преобразующая аппаратура, чувствительный элемент, датчики перемещений, катушка, обмотка индуктивности.
■
Key words: the sensor-reformative equipment, sensitive element, displacement transducers, the coil, an inductance winding.
Современное развитие специальной техники: ракетно-космической, военной техники, вооружения, авиации, двигателестроения, изделий для атомной энергетики и т.п. - во многом зависит от технического уровня информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС), качество и технико-экономические показатели которых определяются использованной в них датчико-преобразующей аппаратурой (ДПА). В специальной технике ДПА эксплуатируется при воздействии большого количества дестабилизирующих факторов: ударов, вибраций, линейных ускорений, акустического шума, широкого диапазона воздействующих температур. При создании сложных комплексов в настоящее время широко используются бесконтактные вихретоковые датчики перемещений. Они применяются во многих ИИУС специальной техники.
Исследования показали, что применение вихретоковых чувствительных элементов (ВТЧЭ) для построения бесконтактных датчиков дает следующие преимущества:
- повышение надежности;
- уменьшение массы и габаритных размеров;
- многофункциональность;
- появление возможности тестирования исправности датчиков в процессе эксплуатации.
Наличие этих преимуществ вызвало необходимость перейти к экспериментальным и
опытно-конструкторским работам по совершенствованию бесконтактных вихретоковых датчиков перемещений [1].
Существует несколько типов вихретоковых чувствительных элементов. Они различаются по способу формирования сигнала, несущего информацию, и по взаимному расположению катушки и проводящего тела.
По способу формирования сигнала различают параметрические и трансформаторные ВТЧЭ, по взаимному расположению - проходные и накладные ВТЧЭ.
Параметрический ВТЧЭ прост по конструкции: это катушка индуктивности, включенная в одно из плеч мостовой измерительной цепи, как показано на рис. 1. При дифференциальном включении двух катушек ВТЧЭ выходное напряжение мостовой цепи определяется следующим выражением:
^вых / иг (гвн + го) / 2^0 го / 2^0 гвн / 2^0,
(1)
где £/г - напряжение на питающем генераторе; гвн - внутреннее сопротивление катушки; z0 - собственное сопротивление катушки.
Таким образом, глубина модуляции выходного напряжения для параметрических ВТЧЭ в лучшем случае не превышает 50 % (типичные значения глубины модуляции лежат в пределах от 1 до 40 %).
Трансформаторный ВТЧЭ имеет более сложную конструкцию, чем параметрический. Он содержит две пары катушек, расположенные таким образом, что в каждой паре имеется достаточно сильная взаимоиндуктивная связь, а между парами связь пренебрежительно мала. Измерительная обмотка включена в выходную цепь, а питающая - в генераторную в соответствии с рис. 2. Одна катушка из каждой пары подключена к генератору переменного тока, а вторые катушки включены встречно для компенсации начальной ЭДС (рис. 2).
При приближении катушек к проводящему телу выходное напряжение описывается следующей формулой [2]:
где Жи, - соответственно число витков измерительной и питающей обмоток в одной паре;
10 и 11 - токи в питающей и измерительной обмотках.
Сравнивая формулы для выходных напряжений параметрического и трансформаторного ВТЧЭ, можно увидеть, что чувствительность выходного напряжения к изменениям параметров проводящего тела у трансформаторного ВТЧЭ больше, чем у параметрического. Кроме того, эта чувствительность может быть еще повышена за счет увеличения коэффициента трансформации Жи / Жп.
В остальном характер зависимости выходного напряжения ВТЧЭ от параметров проводящего тела идентичен у параметрического и трансформаторного ВТЧЭ.
Накладной ВТЧЭ располагается с одной стороны от проводящего тела (рис. 3). У такого преобразователя вносимые параметры значительно зависят от зазора между ВТЧЭ и поверхностью проводящего тела. Характер этой зависимости с достаточной для практики точностью описывается экспоненциальной формулой [3]:
Рис. 1. Схема датчика с параметрическим ВТЧЭ
Рис. 2. Схема трансформаторного ВТЧЭ
ивых / иг = -г вн(^и / та / го/о = -гвн / *о( ^ / Жп),
(2)
иВЬ1Х = итв-6Н 1 \ (3)
где Н - расстояние между средним витком катушки и поверхностью проводящего тела; Аэ - эквивалентный диаметр намотки катушки ВТЧЭ.
Н
Рис. 3. Схема накладного ВТЧЭ
Из выражения (3) видно, что при увеличении зазора на один эквивалентный радиус намотки катушки выходное напряжение уменьшится в 20 раз.
Существенная нелинейность зависимости выходного напряжения от перемещения (рис. 4) приводит к появлению значительной погрешности от нелинейности. Зависимость на рис. 4 показывает, что для аналоговых датчиков желательно иметь зазор между ВТЧЭ и проводящим телом не более (0,6...0,7) эквивалентного радиуса намотки катушки или (0,3...0,35) эквивалентного диаметра. Дальнейшее увеличение зазора ослабляет сигнал более чем в 10 раз. В поперечном (относительно оси катушки) направлении считается, что можно пренебрегать чувствительностью ВТЧЭ при удалении проводящего тела более чем на 1,5 эквивалентных радиуса от центра катушки.
Рис. 4. График зависимости выходного напряжения от перемещения
Приведенные диапазоны допусков для расстояния между катушкой и проводящим телом определяют технические характеристики вихретоковых датчиков. При рассмотрении ВТЧЭ следует учитывать расширение зоны вихревых токов при увеличении зазора. Для круглой катушки можно считать, что диаметр наибольшей плотности вихревых токов (Авт) определяется соотношением
Авт = А + 1,5Н. (4)
Эта формула позволяет выбирать размеры проводящего тела, минимальный размер которого можно считать равным 1,3Авт. Проходные ВТЧЭ отличаются тем, что проводящее тело, перемещаясь относительно катушки, либо охватывает ее, либо проходит внутри. Схематично конструкция проходных ВТЧЭ показана на рис. 5,а,б.
11роводящсе кольцо
Катушка
X
а)
Катушка Катушка
Катушка
б)
Рис. 5. Конструкция проходных ВТЧЭ (а, б); общий вид характеристики ВТЧЭ от перемещения проводящего кольца (в)
У проходных ВТЧЭ зависимость выходного сигнала от перемещения может иметь как линейный, так и нелинейный характер для различных расстояний между катушками.
Если расстояние между катушками (рис. 5,а) не превышает эквивалентного радиуса намотки, то характеристика от перемещения кольца имеет вид 1 (рис. 5,в). Если расстояние между катушками увеличить, то интенсивность электромагнитного поля посередине между катушками уменьшается и в характеристике появляется зона нечувствительности - линия 2 на рис. 5,в.
На рис. 5,б показан ВТЧЭ с подвижным проводящим телом в виде двойного конуса. Здесь при осевом перемещении проводящего тела изменяются зазоры между поверхностью проводящего тела и обмоткой катушки. Выбирая профиль конических поверхностей, можно получить требуемую зависимость выходного сигнала от перемещения. Например, если на конических участках расположить цилиндрические фрагменты, то можно получить зону нечувствительности.
При построении совмещенных датчиков можно на подвижной части расположить несколько проводящих тел различной конфигурации таким образом, чтобы одно из проводящих тел образовывало с катушками накладной, а другое - проходной ВТЧЭ в том или ином варианте. Это позволяет совмещать в одном датчике несколько функций.
В существующей литературе не описаны свойства вихретоковых чувствительных элементов с треугольным сечением паза. Однако применительно к вихретоковым преобразователям можно утверждать, что обмотки с треугольным и квадратным сечениями пазов обладают различными свойствами.
Пусть на некотором расстоянии Н от проводящего тела расположена катушка с квадратным сечением паза, как показано на рис. 6. Параметры катушки можно разделить на собственные и вносимые (последние обусловлены влиянием проводящего тела). Вносимые параметры можно определить по формуле [3]
£вн = ' °\ (5)
где /вн, Ь0 - соответственно вносимая и собственная индуктивность катушки.
Проводящее тело Катушка
1 ^
X 3 4
3 4
'
Н 1 -в 2
Рис. 6. Катушка с квадратным сечением паза
Эта же формула может быть применена для любого витка или для части катушки. Применяя формулу (5) для различных частей катушки, можем сделать следующие выводы.
Наибольшие вносимые параметры будут в зоне 1, ибо здесь минимальное расстояние от проводящего тела и максимальный диаметр витков. В зоне 2 диаметр максимален, но расстояние до проводящего тела наибольшее - в результате здесь вносимые параметры меньше, чем в зоне 1. В зоне 3 расстояние до проводящего тела так же минимально, как и в зоне 1, но диаметр имеет меньшее значение, поэтому здесь вносимые параметры меньше, чем в зоне 1. В зоне 4 вносимые параметры меньше, чем в зонах 2 и 3, так как здесь наибольшая удаленность от проводящего тела и минимальный диаметр витков.
Таким образом, видим, что разные участки обмотки обладают разной чувствительностью к наличию проводящего тела. В то же время все участки катушки участвуют в формировании индуктивности обмотки. Поэтому малоэффективная зона 4 уменьшает отношение вносимой индуктивности к общей индуктивности катушки.
Пусть отношение ¿вн / ¿0 характеризует глубину модуляции параметров катушки за счет влияния проводящего тела. Тогда это отношение покажет степень эффективности различных типов сечения паза катушки.
Индуктивность катушек с прямоугольным сечением паза можно определить по формуле [2]
¿пр = Цо / 8л^2АСрФр, (6)
где ц0 - магнитная проницаемость воздуха; N - число витков обмотки; Дср - средний диаметр обмотки; Фр - функция от соотношения размеров прямоугольного сечения обмотки.
Функцию Фр можно определить по формуле [2]
Фр = 2я[(1 + у2/6)1п8/у2 - 1,6967 + 0,4082у2], (7)
где ^ = а / Дэ; а - ширина обмотки.
На основании рекомендаций, содержащихся в [2], можно заменить треугольное сечение паза на ступенчатое, как показано на рис. 7. В этом случае индуктивность катушки с треугольным сечением паза можно определить по формуле
¿А = 0,5^1234 + ¿3 + 0,5^12 - 0,5L34, (8)
где /1234, ¿3, ¿12, ¿34 - индуктивности частей обмотки: ¿1234 - индуктивность обмотки с прямоугольным сечением паза, включающей 1, 2, 3, 4 части обмотки; Ь3 - индуктивность части обмотки № 3 ; ¿12 - индуктивность обмотки, состоящей из частей № 1 и 2; ¿34 - индуктивность обмотки, состоящей из частей № 3 и 4.
С учетом соотношений размеров, приведенных на рис. 7, можно рассчитать параметры частей обмотки. Результаты расчетов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты расчетов параметров частей обмотки
Номер участка катушки а / Б Б о Б Н / Б ^ = а / Бэ Фр Аф ,10-7 N 2 Б К
1, 2, 3, 4 0,2 0,8 0,2 0,25 20,28 7,21 0,1
3 0,1 0,7 0,1 0,14 27,14 1,05 0,05
1, 2 0,2 0,9 0,1 0,22 21,69 2,17 0,1
3, 4 0,2 0,7 0,1 0,28 18,69 1,45 0,1
Проводящее тело
D/4
/ 0,1D 0,1D
1 9 : -
■ 4 2 ©л
<N -- о" + <N Р °С o'
X з- 4
1 2
т ^ A
Рис. 7. Основные геометрические размеры катушки
Проведенный анализ показывает, что катушка накладного вихретокового преобразователя с треугольным сечением паза обеспечивает глубину модуляции индуктивности в 1,4...2,7 раза большую, чем катушка с квадратным сечением паза.
Список литературы
1. Нефедьев, Д. И. Об особенностях технологии изготовления высокотемпературного датчика линейных перемещений / Д. И. Нефедьев, А. А. Трофимов // Технологии производства перспективных МЭМС-приборов : сб. материалов межотраслевой конф. -
Заречный : ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт"», 2009. - С. 37-42.
2. Калантаров, П. Л. Расчет индуктивностей. Справочная книга / П. Л. Калантаров,
Л. А. Цейтлин. - Л. : Энергоатомиздат, 1986. - 488 с.
3. Локшина, Н. Н. Приближенная методика расчета накладных вихретоковых датчиков /
Н. Н. Локшина, Ю. М. Шкарлет // Дефектоскопия. - 1970. - № 1. - с. 35-40
Дмитриенко Алексей Геннадьевич
кандидат технических наук, генеральный директор, Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: niifi@sura.ru.
Нефедьев Дмитрий Иванович
доктор технических наук, заведующий кафедрой информационно-измерительной техники, Пензенский государственный университет E-mail:iit@pnzgu.ru.
Трофимов Алексей Анатольевич
доктор технических наук, доцент, кафедра информационно-измерительной техники, Пензенский государственный университет E-mail: alex.t1978@mail.ru.
Dmitrienko Aleksey Gennad'evich
candidate of technical sciences, director general,
Research Institute of Physical Measurements
Nefed'ev Dmitriy Ivanovich
doctor of technical sciences,
head of sub-department of information
and measuring technique,
Penza State University
Trofimov Aleksey Anatol'evich
doctor of technical sciences, associate professor, sub-department of information and measuring technique,
Penza State University
УДК 531.714.2.084.2 Дмитриенко, А. Г.
Вихретоковые чувствительные элементы для бесконтактных датчиков перемещений /
А. Г. Дмитриенко, Д. И. Нефедьев, А. А. Трофимов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2012. - № 1. - С. 4-9.
