вихретоковый датчик

Формула изобретения

Вихретоковый датчик, содержащий несколько слоев соосных плоских спиральных обмоток на диэлектрических подложках, собранных в таблетку, отличающийся тем, что спирали витков каждой обмотки выполнены в виде симметричных многоугольников с m сторонами, а обмотки повернуты относительно друг друга на угол



при котором стороны многоугольных спиралей обмоток не параллельны друг другу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля вибрации движущихся частей роторных машин в энергетике, турбонасосных агрегатов в нефтегазовой промышленности и других областях.

Известен вихретоковый преобразователь для неразрушающего контроля, содержащий несколько слоев соосных, плоских спиральных обмоток на диэлектрических подложках, причем спираль витка каждой обмотки имеет конфигурацию спирали обмоток в соседних слоях (см., например, авт. св. СССР 1610420, кл. G 01 N 27/90, 1987 г. - аналог).

При традиционном исполнении вихретокового преобразователя несколько слоев соосных плоских спиральных обмоток на диэлектрических подложках образуют большую суммарную паразитную межвитковую емкость (С_П).

Если форма спиралей во всех слоях одинакова, собственная паразитная емкость катушки индуктивности преобразователя (как плоского конденсатора) пропорциональна числу витков (n) и полной площади спирали S₀, что является существенным недостатком аналога



где S₀ - эквивалентная площадь спирали обмотки одной из сторон диэлектрической подложки,

d₀ - толщина диэлектрической подложки,

n - число спиральных обмоток.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве ближайшего аналога вихретоковый преобразователь для неразрушающего контроля, содержащий несколько слоев плоских обмоток на плоских диэлектрических подложках, в котором обмотки всех слоев выполнены в виде прямоугольных спиралей с одинаковым постоянным шагом витков и сдвинуты относительно одна от другой по двум направлениям, совпадающим со сторонами витков на половину шага (см. авт. св. СССР 1497558, кл. G 01 N, 27/90, 1987 г. - ближайший аналог). Благодаря выполнению обмоток всех слоев в виде прямоугольных спиралей с одинаковым постоянным шагом витков и сдвигом их относительно одна от другой на половину шага, в этом устройстве удается увеличить расстояние d₀ между параллельными спиралями катушки, а следовательно, уменьшить собственную паразитную емкость преобразователя.

Недостатком ближайшего аналога является конструктивная ограниченность, не позволяющая достигнуть максимальной, потенциально возможной при заданных размерах, добротности датчика.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении чувствительности датчика путем увеличения его добротности.

Поставленная задача решается тем, что в вихретоковом датчике, содержащем несколько слоев соосных плоских спиральных обмоток на диэлектрических подложках, собранных в таблетку, спирали витков каждой обмотки выполнены в виде симметричных многоугольников с m сторонами, а обмотки повернуты относительно друг друга на угол



при котором стороны многоугольных спиралей обмоток не параллельны друг другу.

На фиг.1a) представлена конфигурация спиралей обмоток в виде правильных концентрических многоугольников, сдвинутых относительно друг друга на угол



и собранных в таблетку. На фиг.1б) представлено сечение по толщине таблетки и последовательность соединения спиралей обмоток в катушку индуктивности L. На фиг.2 приведена функциональная схема тракта измерений вибраций ротора с использованием вихретокового датчика.

Вихретоковый датчик 1 содержит n одинаковых диэлектрических подложек 2, на каждой из которых с двух сторон выполнены токопроводящие спиральные обмотки 3, 4, состоящие из нескольких витков в виде правильных концентрических многоугольников. Обмотки 3 и 4 соединены между собой последовательно и согласно через металлизированное контактное отверстие 5 и повернуты относительно друг друга на угол

Через контакты 6.1 и 7n, являющиеся выходными, датчик 1 включается в схему измерений фиг.2. Контакты 6.2...6n соответствующих подложек 2.2...2n электрически соединены пайкой с контактами 7₁...7_n-1 по схеме фиг.1б).

При измерениях вихретоковый датчик 1 запитывается от высокочастотного стабилизированного кварцевого генератора 8, нагруженного на делитель напряжения из сопротивления 9 (R_г) и эквивалентного сопротивления датчика 10 (R_э). Сигнал с эквивалентного сопротивления датчика 10 подается на вход последовательно подключенных усилителя 11, детектора 12, фильтра низких частот 13, регистратора 14. Датчик 1 устанавливается на неподвижной части агрегата 15 с зазором (h) 16 между неподвижной частью и ротором 17.

Устройство функционирует следующим образом. При вращении ротора 17, из-за асимметрии выполнения ротора и неточностей центрирования в подшипниках, изменяется величина зазора (h) 16 между ротором и датчиком. В результате, непрерывно изменяется величина вносимого сопротивления в контур из L, _п, r_a, что приводит к изменению величины эквивалентного сопротивления датчика (R_э) 10 и параметрической модуляции высокочастотного сигнала генератора 8.

В промодулированных таким образом колебаниях высокочастотного генератора 8 содержится вся информация о величине зазора (h) 16, амплитуде и частоте вибраций ротора 17. После усиления в усилителе 10, промодулированные колебания детектируются детектором 12. Фильтр низких частот 13 выделяет модулирующую функцию, содержащую информацию о параметрах вибрации ротора, которая записывается регистратором 14.

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Входное сопротивление датчика (Z_вх) как параллельного контура, в зависимости от параметра расстройки , задается выражением



где R_э - эквивалентное сопротивление датчика при резонансе,

R_э = Q,

Q - добротность датчика как колебательного контура;

- характеристическое сопротивление датчика,



L - индуктивность катушки датчика,

С_п - паразитная емкость катушки,

- обобщенная расстройка,

,

f₀ - резонансная частота,

f - отклонение частоты от резонансной (параметр расстройки).

Как следует из приведенной формулы, крутизна характеристики чувствительности датчика определяется в первую очередь его эквивалентным сопротивлением R_э = Q, т.е. добротностью и характеристическим сопротивлением. При заданных конструктивных размерах (габаритах) датчика, чем больше индуктивность катушки (L) и меньше паразитная емкость (С_п), тем больше добротность и характеристическое сопротивление. В свою очередь, индуктивность (L) катушки является функцией охватываемого витками объема пространства (V):

L = _on²SH,

где _o - магнитная проницаемость воздуха, - магнитная проницаемость сердечника, n - число витков катушки, S - площадь сечения катушки, Н - высота катушки (толщина таблетки).

Если обмотка круглая, то S = 2R², R - габариты датчика (фиг.1). Если обмотка выполнена в виде правильного многоугольника, то S = I/2mR²sin, где m - число сторон правильного многоугольника, - центральный угол, равный = 360/m, R - радиус описанной окружности (габариты датчика). Чем больше число сторон правильного многоугольника, тем больше его площадь (S) приближается к площади круга, тем больше индуктивность L и тем больше характеристическое сопротивление . С другой стороны, если обмотки сдвинуты относительно друг друга, то взаимные проекции l витков одноименных сторон и паразитная емкость С_п также оказываются функциями числа сторон правильного многоугольника. Изменение площади S многоугольника при m-->var и проекции l соответствующих сторон обмоток имеют различную функциональную зависимость.

Следовательно, при изменении конструкции датчика (увеличении числа сторон и сдвиге сторон смежных обмоток относительно друг друга) должен существовать экстремум, при котором добротность и характеристическое сопротивление датчика максимальны.

На фиг.3 представлены графики изменения составляющих

определяющих результирующую эффективность датчика / в функции от числа сторон (m) и угле сдвига = 360/2m, относительно ближайшего аналога (m= 4). Эффективность датчика можно оценить (см. , например, Н.С. Пискунов "Дифференциальное и интегральное исчисления". Учебник для ВТУЗов, T.1, Наука, М. , 1964 г., с. 249-252), вычислив величину относительного изменения функции:





Из геометрических соотношений получено, что





Характеристическое сопротивление датчика максимально при m = 6...7, и увеличивается примерно на 10% относительно ближайшего аналога. Поскольку эквивалентное сопротивление датчика

то результирующий выигрыш в чувствительности составит (1,11,1)=1,21, т. е. 21%.

На фиг. 4 представлены нормированные выходные характеристики датчиков (функции чувствительности), соответственно: 1 - ближайшего аналога, 2 - заявляемого датчика. Одним из основных требований к вихретоковым датчикам является обеспечение линейности выходной характеристики (v/v₀) в широком диапазоне изменения величины зазора (h) между ротором и неподвижной частью агрегатов. Крутизна характеристики заявляемого датчика на 21% больше, при одновременном увеличении линейного участка по сравнению с ближайшим аналогом.

Спиральные обмотки 3, 4 на подложках 2 изготавливаются из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 0,2 мм методом травления заготовок, например, в растворе хлорного железа. Предполагаемая форма спиралей при этом наносится фотошаблонным способом, что не накладывает ограничений на их конфигурацию.

Все элементы измерительного тракта собраны по типовым электронным схемам (см. , например, "Справочник по радиоэлектронике" под редакцией А.А. Куликовского, Энергия, М., 1968 г., т.2, с. 43, 85, 133) и могут быть выполнены на существующей технической базе.