Структурные схемы драйверов и трансмиттеров вихретоковых систем

Андрей Васильевич Клюшев
ООО ГлобалТест, г.Саров

Для понимания проблем, решаемых разработчиком вихретоковой системы (вихревой пробник + удлинительный кабель + драйвер/трансмиттер) и оценки технических решений целесообразно привести некоторые аспекты физического принципа вихретокового метода в упрощенном варианте.

Прохождение переменного тока по катушке вихревого пробника вызывает появление электромагнитного поля, наводящего вихревые токи в близкорасположенном электропроводящем объекте, который принято называть подложкой. Возникает взаимодействие вихревых токов подложки и первоначального электромагнитного поля катушки, в результате чего катушку пробника и подложку можно считать индуктивно связанными контурами, электромагнитно взаимодействующими друг с другом, эквивалентная схема показана на рисунке.

Катушка пробника, емкость коаксиального кабеля, активное сопротивление катушки и кабеля образуют параллельный колебательный контур с параметрами Lк, Ск и Rк соответственно. Виртуальные элементы апериодического контура Lo и Ro характеризуют свойства материала подложки. Электромагнитное взаимодействие параллельного колебательного контура с подложкой вызывает эффект эквивалентного увеличения Rк и, как правило, уменьшения величины Lк, что приводит к снижению добротности и увеличению резонансной частоты контура. В большинстве случаев в качестве информативного параметра используют изменение добротности. Основными факторами, влияющими на величину изменения Rк, Lк, являются магнитная проницаемость и удельная проводимость подложки. Драйвер преобразует изменение величины Rк, Lк в электрический сигнал. Основная проблема здесь заключается в создании таких условий возбуждения контура и способа выделения информативного сигнала, при которых достигается максимальная чувствительность датчика к контролируемому параметру и минимальная погрешность. Именно на это направлены усилия разработчиков.

Вихретоковый измеритель может реагировать на:

• изменение расстояния между чувствительным элементом и подложкой;
• изменение угла между чувствительным элементом и подложкой;
• изменение толщины подложки;
• изменение проводимости подложки.

Вихретоковая система, как правило, конструируется таким образом, чтобы осуществлять хорошую реакцию лишь на один параметр и подавлять влияние других.

В промышленности наиболее часто вихретоковые системы используются для измерения смещения и вибрации. Основные характеристики датчика смещения и вибрации следующие:

• диапазон измеряемых значений (составляет, как правило, несколько миллиметров);
• коэффициент преобразования или чувствительность (характеризует отношение величины выходного сигнала к измеряемому расстоянию);
• коэффициент нелинейности;
• частотный отклик или частотный диапазон (важный параметр для виброизмерений);
• неравномерность АЧХ (также важно для виброизмерений);
• разрешающая способность (минимальное перемещение, отслеживаемое датчиком);
• температурный диапазон;
• температурная погрешность (характеризует зависимость выходной характеристики от температуры пробника и драйвера);
• технологический разброс (характеризует отклонение выходной характеристики от типовой при изготовлении изделия, влияет на стоимость);
• энергопотребление.

Вихретоковые системы разработанные "ГлобалТест" по своим характеристикам соответствуют изделиям ведущих фирм, таких как Metrix, SKF Condition Monitoring, Bently Nevada Corporation, Brul&Kjer. Отличительными особенностями систем, разработанных "ГлобалТест" являются очень малая температурная погрешность, высокая линейность, незначительный технологический разброс (отсутствуют элементы подстройки), широкий температурный диапазон.

Температурную погрешность датчика вызывают два фактора: влияние температуры окружающей среды на электронные компоненты драйвера/трансмиттера (такая погрешность присуща любой схеме, содержащей аналоговые элементы), а также на активное сопротивление катушки пробника и соединительных проводов. Изменение активного сопротивления соединительного кабеля и активного сопротивления катушки пробника под воздействием температуры окружающей среды вызывает изменение добротности. Такую погрешность весьма сложно скомпенсировать, поскольку трудно отделить полезное изменение добротности, вызываемое перемещением объекта контроля, от паразитного, вызванного влиянием температуры на кабель и пробник.

В схемотехнике драйвера/трансмиттера использован ряд оригинальных технических решений, сочетающих аналоговые и цифровые компоненты. На способ возбуждения пробника и выделения информативного параметра, а также на способ компенсации погрешности, вызванной изменением добротности вследствие воздействия температуры окружающей среды оформлена заявка на изобретение [А.В.Клюшев Заявка на изобретение №2000102957/20(002870) от 15.02.2000
"Способ токовихревого контроля и устройство для его осуществления"].

На рисунке приведена структурная схема драйвера.

Блок возбуждения вырабатывает импульсный сигнал специального вида для возбуждения пробника, блок компенсации температурной погрешности следит за величиной активного сопротивления кабеля и катушки и в случае их температурного изменения определенным образом корректирует параметры сигнала возбуждения, что практически полностью компенсирует температурную погрешность. Блок выделения информативного параметра осуществляет выделение информативного сигнала в момент времени соответствующий наибольшей чувствительности. Затем информативное напряжение запоминается устройством выборки-хранения и хранится до следующего замера. Синхронизация работы выше описанных блоков осуществляется блоком синхронизации. Частота формирования сигнала возбуждения не менее 25 кГц. Следовательно, измерение расстояния между торцом пробника и объектом происходит не менее 25 000 раз в секунду, что согласно теореме Найквиста - Котельникова позволяет измерять вибрацию с частотой до 12,5 кГц. Блок линеаризации осуществляет приведение нелинейной характеристики к виду y = kx. Фильтр нижних частот подавляет присутствующие в информативном сигнале составляющие кратные частоте дискретизации. Необходимо отметить, что фильтр не является обязательным функциональным элементом, поскольку важен только для спектрального анализа. В то же время спектроанализаторы, как правило имеют собственный встроенный ФНЧ. Формирователь выходного напряжения осуществляет усиление выходного сигнала до заданной чувствительности. Кроме того осуществляет привязку выхода к положительному входу питающего напряжения, который в драйверах (неизвестно по каким причинам) принято делать общим проводом.

На следующем рисунке приведена структурная схема трансмиттера для измерения сдвига, которая отличается от предыдущей наличием формирователя выходного тока, выходная величина которого принимает значение от 4 до 20 мА и соответствует границам линейного участка измерения.

Необходимо отметить, что для питания трансмиттера и подключения нагрузки необходимо три провода (см. рис.). В трансмиттерах, например фирмы METRIX, используется двухпроводная линия (отсутствует связь показанная пунктиром).

На рис. 5 показана структурная схема трансмиттера для измерения вибрации, он отличается от предыдущей схемы наличием пикового детектора размаха сигнала. Любые колебания напряжения на входе детектора в диапазоне от 5 до 10000 Гц, возникающие в следствие вибрации объекта контроля преобразуются детектором в постоянное напряжение пропорциональное размаху вибрации. Формирователь выходного тока программируется в зависимости от диапазона. Например, для трансмиттера 100 мкм диапазона отсутствие вибрации соответствует 4 мА выходному току, вибрация величиной 50 мкм соответствует выходному току 12 мА, соответственно 100 мкм - 20 мА.

На следующем рисунке показана структурная схема трансмиттера для измерения частоты вращения. Она отличается от предыдущих отсутствием блока линеаризации, а также наличием компаратора и преобразователя частоты в напряжение. Реакция в виде импульса напряжения от прохождения мимо пробника специальной метки на валу или зубца шестерни поступает на вход компаратора и преобразуется им в импульс цифрового формата.

Напряжение на выходе преобразователя частоты в напряжение пропорциональное оборотам в минуту формирователем тока преобразуется в выходной ток. Преобразователь частоты в напряжение программируется в зависимости от диапазона измерения и количества меток на валу или зубцов шестерни.

© 2001 ГлобалТест