Структура первичных измерительных преобразователей

Выше были выделены четыре метода вихретокового вида контроля, применимые для решения задач измерения толщины различных защитных покрытий (в том числе многослойных) и листовых материалов. Разнообразие задач предполагает несколько возможных исполнений первичных измерительных преобразователей, которые можно разделить по следующим основным признакам:

По взаимному расположению обмоток и объекта контроля на:

- накладные (используемые для проведения измерения покрытий при одностороннем доступе);

- проходные (используемые для проведения измерений внутри и снаружи труб);

- экранные (предполагающие расположение обмоток с противоположных сторон листовых материалов или стенок изделия);

- комбинированные (комбинации вышеперечисленных типов).

По количеству и назначению обмоток на:

- однообмоточные (параметрические, чаще всего частотные);

- трансформаторные;

- дифференциальные;

- абсолютные.

По наличию и типу сердечника:

- с неферромагнитным сердечником;

- с ферритовым сердечником .

По наличию и типу внешнего экрана на:

- неэкранированные;

- экранированные ферритовым экраном;

- экранированные стальным разрезным экраном;

- экранированные стальным цельным экраном;

- экранированные неферромагнитным разрезным (электростатическим) экраном.

По схеме подключения обмоток и их балансировки на:

- небалансируемые;

- балансируемые витками;

- балансируемые дополнительными ферритовыми сердечниками;

- балансируемые электрическим способом;

Структура и конструкция первичных измерительных преобразователей должны выбираться исходя из задач измерения и заданной погрешности, а также особенностей применения.

Рис.2.22. Структура первичных измерительных преобразователей и схемы их подключения

На рис. 2.22 в одну таблицу сведены возможные исполнения первичных измерительных преобразователей по признакам «количество и назначение обмоток» и «расположения обмоток и объекта контроля»: в первом столбце - абсолютные параметрические, во втором - абсолютные трансформаторные, в третьем - дифференциальные параметрические, в четвертом - дифференциальные трансформаторные преобразователи и схемы их подключения. В первой строке изображены накладные (для измерения покрытий при одностороннем доступе), во второй - проходные наружные (для измерения покрытий на протяженных объектах, трубах, прутках), в третьей - проходные внутренние (для измерения покрытий на внутренней поверхности протяженных объектов, труб), в четвертой - экранные преобразователи (для измерения толщины листовых электропроводящих материалов и стенок изделий).

Абсолютные параметрические преобразователи наиболее просты по конструкции (однообмоточные). Они нашли широкое применение в толщиномерах диэлектрических покрытий на электропроводящих неферромагнитных основаниях. Включение их в автогенераторные схемы позволяет получить хорошие метрологические характеристики и существенно уменьшить влияние температуры на погрешность измерения, обеспечить приемлемую локальность измерений.

Абсолютные трансформаторные преобразователи. Используются относительно редко, обычно в составе с электронным компенсатором. Основное отличие абсолютного трансформаторного преобразователя от параметрического заключается в том, что источник сигнала возбуждения и приемник гальванически развязаны.

Дифференциальные параметрические преобразователи используются только в дефектоскопии для обнаружения несплошностей или неоднородностей. При установке такого преобразователя на однородное покрытие сигналы с обеих обмоток компенсируют друг друга, и только с появлением неоднородности под одной из обмоток возникает разностный сигнал, который может быть преобразован и отображен.

Дифференциальные трансформаторные преобразователи, так же как и абсолютные используются преимущественно в дефектоскопии. Основным преимуществом таких преобразователей является то, что сигнал с измерительных обмоток относительно не «зашумлен», что позволяет использовать усилители с большим коэффициентом усиления и, соответственно, обеспечить высокую чувствительность. Использование полукруглых сердечников с общей круглой обмоткой возбуждения и квазираздельными измерительными обмотками, намотанными восьмеркой на оба сердечника, позволяет изготовить дефектоскопические преобразователи для поиска непротяженных дефектов.

Так же подобные преобразователи используются для измерения толщины специальных покрытий с целью обеспечения приемлемой чувствительности, например, в приборах, реализующих амплитудный метод измерения толщины плакировки алюминием алюминиевых сплавов.

На рис. 2.23 сведены в одну таблицу абсолютные параметрические, абсолютные трансформаторные и абсолютные трансформаторные скомпенсированные первичные измерительные преобразователи со схемами их подключения. В первой строке изображены преобразователи с неферромагнитным сердечником, во второй - с ферритным стержневым сердечником, в третьей - с ферритным экраном, в четвертой - со стальным разрезным экраном, в четвертой и пятой- с ферритовым стержневым сердечником и неферромагнитным разрезным экраном.

Преобразователи с неферромагнитными сердечниками применяются относительно редко (большей частью в лабораторных условиях, или в особых задачах). Главное преимущество таких преобразователей заключается в том, что их характеристики можно рассчитывать. Отсутствие ферромагнитных сердечников предполагает отсутствие нелинейных процессов в первичном измерительном преобразователе. Нелинейные искажения сигнала может обусловливать только контролируемый объект. Эта особенность позволяет использовать их в вихретоковой структуроскопии.

Преобразователи с ферритовыми стержневыми сердечниками наиболее часто встречаемые преобразователи. Ферритовый сердечник позволяет концентрировать магнитное поле, увеличивает индуктивность, абсолютное значение и приращение величины сигнала преобразователя. Магнитное поле преобразователя с ферритовым стержнем «вытягивается» вдоль оси сердечника. Как следствие, изменение зазора между первичным измерительным преобразователем и объектом контроля приводит к меньшим искажениям поля и изменению диаметра контура наибольшей плотности вихревого тока. Благодаря этому у преобразователей с ферритовым сердечником отстройка от влияния зазора лучше, чем у аналогичных преобразователей без ферритовых сердечников.

Рис. 2.23. Абсолютные первичные измерительные преобразователи

Из существенных недостатков следует отметить следующее: феррит имеет сильную нелинейную зависимость начальной магнитной проницаемости от температуры. На рис. 2.24 в качестве примера изображены зависимости изменения начальной магнитной проницаемости от температуры для ферритов марки М2000НМ, термостабильных марки М1500НМ3 и высокочастотных термостабильных марки М20ВН.

а) б) в)

Рис.2.24. Зависимости относительного изменения начальной магнитной проницаемости от температуры для ферритов марок: а - М2000НМ,

б - 1500НМ3, в - 20ВН (типовые и максимальные значения)

Как следствие, изменение температуры феррита, неравномерный нагрев или охлаждение сердечника могут приводить к искажениям сигналов и к разбалансировке преобразователей. Это особенно критично для преобразователей с раздельными сердечниками для измерительной и компенсационной обмоток (рис. 2.23).

Вторым существенным недостатком является сильное влияние взаимного расположения феррита и обмоток на выходное напряжение преобразователя. Даже незначительное смещение обмоток относительно феррита может вызвать сильную разбалансировку и искажение формы выходных напряжений преобразователя.

Преобразователи с внешним ферритовым (ферромагнитным) экраном. Основным достоинством таких преобразователей является четкая граница зоны измерения, ограниченная габаритами экрана. В качестве внешних экранов чаще всего используются чашечные или полуброневые сердечники и кольцевые или трубчатые, надетые поверх преобразователя с ферритовым сердечником (рис. 2.25).

а) б) в)

Рис.2.25. Варианты конструкции преобразователей с внешним ферритовым (ферромагнитным) экраном:

а - с использованием полуброневого сердечника, б - со стержневым ферритовым сердечником и экранирующим ферритовым кольцом (высокочастотные параметрические преобразователи), в - со стержневым ферритовым сердечником, помещенным внутрь ферритовой трубки (трансформаторные сбалансированные преобразователи)

На рис.2.26 изображено распределение нормальной B_z и тангенциальной B_y составляющих индукции магнитного поля на поверхности электропроводящего неферромагнитного полупространства преобразователей без сердечника, с ферритовым стержневым сердечником и ферритовым чашечным экраном. Здесь R_в^* = R_в/R_э , где R_э – радиус экрана для экранированных преобразователей, либо R_в^* = R_в/R_с , где R_с радиус сердечника для неэкранированных преобразователей, h – зазор.

Как видно из рис.2.26, преобразователи с ферритовым экраном имеют четкую границу зоны измерения. Это означает, что такой преобразователь можно устанавливать непосредственно на край изделия без опасения влияния краевого эффекта на погрешность измерения. Дополнительным преимуществом экранированных преобразователей является лучшая отстройки от зазора, чем у преобразователей с ферритовым стержневым сердечником.

Недостатками экранированных преобразователей являются:

- большее влияние температуры феррита на сигналы с преобразователя, чем у преобразователей со стержневым ферритовым сердечником;

- сложность конструкции, большее число деталей;

- влияние температурных расширений на геометрические размеры деталей преобразователя и, как следствие, возможное искажение сигналов.

а) б)

в) г)

д) е)

Рис.2.26. Распределение нормальной B_z и тангенциальной B_y составляющих индукции магнитного поля:

а, б– для преобразователя без ферромагнитного сердечника, нормальная и тангенциальная составляющая, соответственно,

в, г – для преобразователя с ферритовым стержневым сердечником, нормальная и тангенциальная составляющая, соответственно,

д, е – для преобразователя с ферритовым чашечным экраном, нормальная и тангенциальная составляющая, соответственно.

1 – h®0; 2 – h = 0,25R_в; 3 – h = R_в.

Преобразователи со стальными экраном чаще всего применяются для измерений на низких частотах (десятки Гц). В этой области частот вихревые токи, индуцированные в стальном экране, не оказывают значительного влияния на сигналы преобразователя. Свойства преобразователей со стальными экранами на низких частотах сопоставимы со свойствами аналогичных преобразователей с ферритовыми экранами. Преимуществом стальных экранов является простота изготовления преобразователей больших размеров. Недостатком является ограничение по частоте возбуждения преобразователя, обусловленное возникновением вихревых токов в экране. Для уменьшения влияния вихревых токов экран делают разрезным. Радиальный разрез от центра до края экрана практически полностью исключает вихревые токи в нем. Благодаря этому удается использовать частоты возбуждения до нескольких кГц. Ограничение по частоте наступает с началом влияния «вязкой», мнимой магнитной проницаемости. Для изготовления сердечников используется электротехническая сталь или высокоуглеродистая конструкционная сталь (при частотах возбуждения до сотен Гц).

Преобразователи с неферромагнитным электропроводящим разрезным экраном. Экраны такого типа не могут играть роль концентратора магнитного поля, они защищают преобразователь от влияния электростатических наводок и радиочастотных помех. Электростатический экран в виде алюминиевой или медной фольги используется для защиты от «влияния руки» - изменения емкости системы преобразователь – рука – изделие при изменении положения руки. Так же такой экран, закрывающий преобразователь целиком, в комбинации со стальным экраном или без него, может служить защитой от помех для низкочастотных преобразователей большого диаметра (рис. 2.27)

а) б)

Рис.2.27. Преобразователи с неферромагнитным электропроводящим разрезным экраном:

а - высокочастотный параметрический преобразователь,

б - низкочастотный трансформаторный преобразователь,

1 – ферритовый сердечник, 2 – обмотка возбуждения, 3 – измерительная обмотка, 4 – стальной экран, 5 – неферромагнитный электропроводящий разрезной экран.