удк 528.88 вихретоковый металлоискатель с повышенной

IV Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии»,
15-17 мая 2013 г.
УДК 528.88
ВИХРЕТОКОВЫЙ МЕТАЛЛОИСКАТЕЛЬ С ПОВЫШЕННОЙ
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ
(EDDY CURRENT METAL DETECTOR WITH HIGH SENSITIVITY)
Д.В. Миляев, Н.И. Ермошин
D.V.Mylyaev, N. I. Yermoshin
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
E-mail: ermoschin.nik@yandex.ru
Рассмотрен новый способ обработки сигнала металлообнаружителя, основанный на измерениях фазы
разностного сигнала. Изучена зависимость фазы разностного сигнала от амплитуды входных
сигналов и разности их фаз. Проведен анализ чувствительностей к разности амплитуд входных
сигналов и разности фаз.
(A new method of detecting metals, based on phase measurement of the differential signal. The phase
dependence of the difference signal from the amplitude of the input signals and the difference of their phases
is learnt. Sensitivity analysis to the difference of the amplitudes of input signals and the phase difference is
passed.)
Ключевые слова:
Вихретоковый метод, фаза, металлоискатель.
(Eddy current method, phase, metal detector.)
При разработке средств обнаружения металлов, одной из основных задач является
обеспечение высокой чувствительности, надежности и помехозащищенности создаваемых
приборов. С этой целью разрабатываются и совершенствуются как первичные преобразователи,
так и схемы обработки их выходных параметров.
Измерительный блок, разрабатываемого металлоискателя представляет собой
фазометрическую схему. Следовательно, встает задача надежного обнаружения малых фазовых
сдвигов, вызванных появлением металлических предметов в окне проходного вихретокового
преобразователя (датчика).
Под чувствительностью обнаружителя металлических предметов подразумевается
величина, обратно пропорциональная отношению диаметра обнаруживаемого металлического
предмета к диаметру окна первичного преобразователя. Для повышения чувствительности
разрабатываемого металлоискателя предлагается следующий метод обработки сигнала
преобразователя.
Имеются два сигнала:
1.Опорный сигнал – напряжение питающего генератора:
( ),
где
– амплитуда входного сигнала; –частота входного сигнала;
2. Выходной сигнал – сигнал с выхода преобразователя, отличающегося от опорного по
амплитуде и фазе, вследствие начальной настройки преобразователя:
(
)
(
),
где
– расстройка преобразователя по амплитуде;
– расстройка преобразователя по
фазе.
Определим фазу разностного р и амплитуду р разности опорного и выходного
сигналов.
На рис.1 приведена диаграмма векторов опорного, выходного и напряжения разности
опорного и выходного напряжений.
( )
( )
где - мнимая составляющая вектора р ; – вещественная составляющая вектора р .
134
IV Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии»,
15-17 мая 2013 г.
р
√(
(
))
√
(
(
(
(
)
)
(
(
√
)
))
(
)
)
По рис.1 находим фазу разностного напряжения, считая фазу опорного напряжения
равной нулю.
( )
(
)
(1)
р
( )
Рис. 1. Диаграмма векторов опорного, выходного и напряжения разности опорного и
выходного напряжений
Принимая во внимание, что фазовый сдвиг выходного сигнала близок к нулю, имеем:
р
Из последнего выражения следует, что если амплитуды опорного и выходного сигналов
постоянны, то фаза разностного сигнала прямо пропорциональна фазе выходного сигнала с
коэффициентом:
На рис.2. приведен график зависимости фазы разностного сигнала от фазы выходного
сигнала при различных значениях коэффициента . График построен по формуле (1).
Рис.2. Зависимость фазы разностного сигнала от фазы выходного сигнала при
различных значениях коэффициента
135
IV Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии»,
15-17 мая 2013 г.
Найдем чувствительность фазы разностного напряжения к фазе выходного сигнала:
( )
р
р
(
)
( )
( )
(
)
( )
( )
( )
(
)
( )
( ) (
( ))
(
)
( )
Принимая во внимание, что фаза выходного напряжения стремится к нулю, имеем:
р
(2)
Из (2) следует: чувствительность при малых фазах выходного напряжения стремится к
значению коэффициента .
График зависимости чувствительности фазы разностного напряжения к фазе выходного
сигнала при различных значениях коэффициента приведены на рис.3.
Рис.3. Зависимость чувствительности фазы разностного напряжения к фазе выходного сигнала
Таким образом, максимальная чувствительность обеспечивается при изменении фазы
выходного напряжения от нуля до нескольких градусов. Предложенный метод может быть
широко применен в металлоискателях, с целью повышения чувствительности к металлическим
предметам малых размеров, вызывающие малые фазовые сдвиги выходного напряжения.
На рис.4. приведена структурная схема разрабатываемого металлоискателя.
Питание первичного вихретокового преобразователя осуществляется от генератора
синусоидальных сигналов.
Датчик состоит из трех обмоток – возбуждающей и двух измерительных. Измерительные
обмотки располагаются по краям каркаса первичного преобразователя. Это позволяет при
приближении металлического тела к одной из измерительных обмоток считать напряжение
этой обмотки выходным, а напряжение противоположной измерительной обмотки опорным.
Измерительные обмотки включены встречно и напряжение на них находится в
противофазе с напряжением генератора.
Информативной величиной является фаза между напряжением генератора и напряжением
разности опорного и выходного сигналов.
136
IV Научно-практическая конференция «Информационно-измерительная техника и технологии»,
15-17 мая 2013 г.
Рис.4. Структурная схема: Г – генератор; ВТП – вихретоковый преобразователь; УВ –
устройство вычитания; Ус. – усилитель; ФВ – фазовращатель; Ф – формирователь; УВд.
–
устройство выделения . ; Ус.Н – усилитель напряжения; ФНЧ – фильтр низких частот; М –
модулятор; И – индикатор.
Напряжение с первичного преобразователя подается на измерительный канал
фазометрической схемы, где усиливается по амплитуде, формируется в напряжение
прямоугольной формы и поступает на один из входов устройства выделения фазы. Напряжение
с генератора подается на опорный канал, где сдвигается по фазе и формируется в напряжение
прямоугольной формы и поступает на второй вход устройства выделения фазы. Во время
отсутствия металлических предметов в зоне чувствительности первичного преобразователя,
напряжение обоих каналов сдвинуты относительно друг друга на 90 . Скважность равна двум.
На выходе устройства выделения фазы формируется напряжение прямоугольной формы с
частотой, равной удвоенной частоте генератора. Усилитель напряжения усиливает сигнал с
выхода схемы до уровня
В.
Фильтр нижних частот выделяет постоянную составляющую с выхода усилителя, которая
поступает на индикатор, а также через модулятор на сигнализатор.
При отсутствии металлических предметов в зоне контроля, постоянная составляющая
приблизительно равна нулю. При внесении металлического предмета изменяется напряжение с
выхода датчикапо амплитуде и фазе. Измерительная схема преобразует фазовый сдвиг в
постоянное напряжение, срабатывает сигнализатор.
Данный метод обеспечивает высокую чувствительность при близких значениях амплитуд
выходного и опорного сигналов и чем меньше отличаются эти значения, тем выше
чувствительность метода.При диаметре ВТП равном 20 см, обнаруживаются предметы
объемом 1 мм3 на расстоянии 10 см.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шевеленко В.Д., Абрамов В.В., Демидов Д.А., Давыдов М.Г., Логинов Ю.А. Способ
измерения малых изменений сдвига фаз. Авт. свид. СССР, М. Кл. G01P 25/00 № 461386,
заявл. 03. 01.73, опубл. БИ №7, 1975.
2. Черников А.С. Способ преобразования фазового сдвига гармонических колебаний. Авт.
свид. СССР, М. Кл. G01P 25/00 № 631843, заявл. 24. 07.74, опубл. БИ №41, 1978.
Сведения об авторах:
Миляев Д.В.: к.т.н., доцент кафедры Информационно-измерительной техники Томского
политехнического университета, область научных интересов: разработка методов и средств
неразрушающего контроля и измерения, металлообнаружители, измерители больших сопротивлений,
приборы медицинской диагностики. E -mail: mdv@tpu.ru
Ермошин Н.И.: студент гр. 1Б92 кафедры Информационно-измерительной техника института
неразрушающего контроля Томского политехнического университета, область научных интересов –
электромагнитные
методы
измерения
и
контроля,
металлообнаружители.
E-mail:
ermoschin.nik@yandex.ru
137