Основные принципы построения вихретоковых толщиномеров, их характеристики и примеры применения

Вихретоковые толщиномеры защитных покрытий выпускаются с использованием четырех методов измерения и позволяют решать большую гамму задач. Они являются одними из самых распространенных. Фирмами выпускается большое количество моделей толщиномеров различного назначения– от простейших аналоговых со стрелочными индикаторами до многофункциональных микропроцессорных, позволяющих решать большое число задач измерения с отстройкой от влияния мешающих факторов, возможностью хранения и статистической обработки результатов. Рассмотрим основные принципы построения толщиномеров, реализующих амплитудный, фазовый, амплитудно- фазовый и частотный (параметрический) методы.

Амплитудный метод

Амплитудный метод вихретоковой толщинометрии был первым, реализованным при разработке толщиномеров диэлектрических защитных покрытий. Структурные схемы простейших толщиномеров, реализующих амплитудный метод измерения, представлены на рис. 2.46.

Рис. 2.46. Структурные схемы простейших толщиномеров, реализующих амплитудный метод измерения (аналоговый со стрелочным индикатором и аналого-цифровой с использованием микроконтроллера).

Г – генератор гармонического напряжения, УВ, УП – усилители, ПД – пиковый детектор, Æ - стрелочный индикатор, АЦП – аналого - цифровой преобразователь, МК – микроконтроллер, ЦПУ – центральное процессорное устройство

В подобных толщиномерах обычно используются трансформаторные трех- или четырехобмоточные скомпенсированные преобразователи. Когда преобразователь расположен вдали от объекта контроля напряжение, индуцированное в измерительной обмотке, практически полностью компенсируется напряжением компенсационной обмотки. При установке преобразователя на объект контроля баланс напряжений измерительной и компенсационной обмоток нарушается, амплитуда напряжения разбаланса ∆u(t) обратно пропорциональна расстоянию от преобразователя до поверхности объекта контроля, соответствующего толщине диэлектрического покрытия на электропроводящем основании.

На обмотку возбуждения преобразователя с генератора Г через усилитель УВ подается гармонический сигнал соответствующей частоты. Разностное напряжение ∆u(t) подается на приемный усилитель УП. Усиленное напряжение u_сигн(t) подается на пиковый детектор ПД. Постоянное напряжение U_А, пропорциональное амплитуде разностного напряжения ∆u(t), с выхода пикового детектора подается на стрелочный индикатор (вольтметр), на котором нанесена нелинейная шкала. Данный толщиномер имеет простую конструкцию и весьма посредственные метрологические характеристики, являясь по сути прибором индикаторного типа.

Для исключения нелинейности характеристики в настоящее время чаще всего толщиномеры проектируют с использованием микроконтроллеров. Микроконтроллеры позволяют реализовывать алгоритмы линеаризации градуировочной характеристики, что повышает достоверность измерений.

В ранних приборах напряжение с амплитудного детектора подавалось непосредственно на стрелочный индикатор (вольтметр) с нанесенной на него шкалой.

Пиковый детектор чаще всего выполняется на основе диода, детектирующего сигнал и низкочастотного RC – фильтра, сглаживающего пульсации детектированного сигнала.

При подаче на амплитудный детектор сигнала u _сигн(t) диодом отсекаются нижние полупериоды. Полученный детектированный сигнал

u_Д(t) сглаживается интегратором. Напряжение с интегратора u_А(t) содержит небольшой уровень пульсаций (рис. 2.47) и подается непосредственно на стрелочный индикатор или АЦП.

а) б)

Рис. 2.47. Временные диаграммы, описывающие работу измерительных преобразователей: а - для больших уровней сигналов, б - для малых уровней сигналов

В современных приборах вместо стрелочного индикатора напряжение с амплитудного детектора подается на встроенный АЦП. Цифровой сигнал АЦП передается на ЦПУ, где производятся математические операции вычисления толщины покрытия по предварительно снимаемой градуировочной характеристике. Результат вычислений выводится на цифровой индикатор.

По аналогичной схеме построены выхретоковые толщиномеры ТМ-3, ТМ-2. На рис. 2.48 изображена их структурная схема.

Рис. 2.48. Структурная схема вихретокового толщиномера ТМ-3:

Г – генератор гармонического напряжения, УВ, УП – усилители, ПД – пиковый детектор, АЦП – аналого - цифровой преобразователь, МК – микроконтроллер, ЦПУ – центральное процессорное устройство

Работа прибора основана на измерении величины разностного напряжения преобразователя при установке его на изделие.

Основными функциональными элементами прибора являются:

- задающий генератор в составе микропроцессора, обеспечивающий питание обмотки возбуждения преобразователя;

- устройство аналоговой и цифровой обработки разностного напряжения, преобразователя, состоящее из усилителя, амплитудного детектора, микропроцессора со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и жидкокристаллического индикатора (ЖКИ).

Фазовый метод

Более сложным в реализации, по сравнению с амплитудным, является фазовый метод измерения толщины защитных покрытий. Суть метода заключается в измерении разности фаз выходного сигнала с преобразователя и некоторого опорного сигнала. Структурная схема толщиномера, реализующего фазовый метод толщинометрии и использующего в качестве опорного сигнала напряжение на обмотке возбуждения, изображена на рис. 2.49.

Рис. 2.49. Структурная схема толщиномера, реализующего фазовый метод измерения: Г – генератор гармонического напряжения, УВ, УП – усилители, ФД – фазовый детектор, ФНЧ – фильтр низкой частоты, АЦП – аналого - цифровой преобразователь,МК – микроконтроллер, ЦПУ – центральное процессорное устройство.

В фазовых толщиномерах, как и в амплитудных, чаще всего используются трансформаторные трех- или четырехобмоточные скомпенсированные преобразователи. Отличие фазового толщиномера от амплитудного заключается в том, что усиленный разностный сигнал подается не на амплитудный, а на фазовый детектор ФД. Опорным сигналом для фазового детектора чаще всего служит напряжение возбуждения u_В(t) преобразователя.

На рис. 2.50, а изображена схема фазового детектора на логическом элементе И-Не и низкочастотном фильтре, необходимом для дальнейшей обработки сигнала.

а)

б) в)

Рис. 2.50. а - схема фазового детектора и низкочастотного фильтра, б - сигналы фазового детектора при подаче на вход сигналов с разностью фаз около 180°, в - сигналы фазового детектора при подаче на вход сигналов с разностью фаз около 0°.

Гармоническое напряжение возбуждения u_В(t) и усиленное разностное напряжение u_сигн(t) подаются на компараторы К2 и К1 соответственно, на вторые входы которых подаются нулевые потенциалы схемы. Прямоугольные сигналы (меандры) с выходов компараторов поступают на логический элемент И-Не. Логическая схема работы элемента представлена на рис. 2.51.

А Б В

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

Рис. 2.51. Логическая схема работы элемента И-Не

Длительность сигнала u_ФД(t) на выходе логического элемента, отнесенная к периоду Т сигнала, соответствует разности фаз между сигналами u_К1(t) и u_К2(t), подаваемыми на логический элемент. Напряжение u_ФД(t) для сглаживания пульсаций подается на низкочастотный RC - фильтр. С выхода низкочастотного фильтра напряжение u_Dj(t), содержащее небольшой уровень пульсаций, подается на АЦП. Цифровой сигнал с АЦП подается на ЦПУ, а затем, после математической обработки, на цифровой индикатор выдаются показания толщины.

Рабочий диапазон представленного фазового детектора равен 180°. В случае, если разность фаз сравниваемых сигналов выходит за одну из границ рабочего диапазона, используются фазосдвигающие RC - цепи, расположенные перед одним из компараторов.

По описанной схеме был реализован вихретоковый фазовый канал толщиномера «Константа К5», выпускавшегося с 1996 г. по 2007 г. На рис. 2.52, а изображена его структурная схема, на рис. 2.52, б изображена принципиальна электрическая схема вихретокового фазового канала.

Генератор синусоидального напряжения собран на микросхеме DA1. Его выход которого соединен с обмоткой возбуждения через согласующий понижающий трансформатор Т1, собранный на кольцевом феррите. Усилитель разностного напряжения первичного измерительного преобразователя собран на микросхеме DA2. Фазосдвигающая цепь, обеспечивающая соответствие разности фаз сигналов генератора и разностного напряжения рабочему диапазону фазового детектора, собрана на конденсаторе С11 и резисторе r21. Фазовый детектор собран на микросхемах DA4A, DA4B и DD1 (используется логический элемент И-Не). Фильтр низкой частоты реализован на конденсаторе С13 и резисторе r8. Стабилизатор напряжения питания собран на микросхеме DA3. Постоянное напряжение с выхода фильтра низкой частоты поступает на вход двухтактного интегрирующего АЦП, где преобразуется в цифровой код. По градуировочной характеристике, хранимой в памяти микроконтроллера, вычисляется толщина покрытия.

а)

б)

Рис. 2.52. а - структурная схема толщиномера «Константа К5», выпускавшегося с 1996 г по 2007г

(ФД - фазовый детектор, ФНЧ – фильтр низкой частоты, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, ЦПУ – центральное процессорное устройство, Г – генератор; УП, УВ – усилители, Г – генератор);

б - принципиальная электрическая схема фазового канала (DA1 – TL081, DA2 – CA3130, DA3 – КР1170ЕН5, DA4 – LM393, DD1 – 74HC4046)

Основным недостатком приведенной выше («классической») схемы вихретокового толщиномера, использующего фазовый метод измерения, является его относительно низкая температурная стабильность. Связана она с тем, что в качестве синхронизирующего (опорного) сигнала используется напряжение возбуждения u_В(t).

Фазы напряжений на измерительной и компенсационной обмотках зависят от фазы магнитного потока, пронизывающего их. Фаза магнитного потока зависит от фазы тока, протекающего по обмотке возбуждения. Фаза тока в обмотке возбуждения зависит от активного и реактивного сопротивления обмотки возбуждения.

Таким образом, разность фаз между напряжением возбуждения и напряжениями измерительной и компенсационной обмоток зависит, в том числе, от активного сопротивления провода обмотки возбуждения, которое изменяется при изменении температуры преобразователя. Устранив данную зависимость, можно значительно уменьшить влияние температуры на показания толщиномера, тем самым повысить его метрологические характеристики.

Использование длинного кабеля, соединяющего электронный блок с первичным измерительным преобразователем ограничивает диапазон рабочих частот.