Электромагнитный датчик для контроля металлических изделий

Электромагнитный датчик для контроля металлических изделий

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ, содержащий корпус, разомкнутый магнитопровод с расположенными на нем встречно соединенными возбуждающей и компенсационной обмотками, подсоединенными к входу усилителя, измерительную обмотку, отличающийся т ем, что, с целью повышения чувствительности и надежности в работе датчика, измерительная обмотка расположена между полюсами магнитопровода, причем ее ось ориентирована параллельно оси основания магнитопровода, боковые стенки корпуса выполнены двухслойными, при этом внутренний слой выполнен из немаг.нитного металла с высокой электропроводностью , а внешний - из ферро .магнитного материала.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПжЛИН

3(Я) В 21 В 37 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЦТИЙ (21) 3498926/22-02 (22) 14.10.82 (46) 23.01.84. Бюл. Р 3 (72) В.В, Волков, И.A. Костенко, Л.A. Кириллов и Л.Н. Тетиор (71) Опытное производственно-техническое предприятие "Уралчерметавтоматика" (53) 621.771.019(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 735348, кл. В 21 В 37/00, 1978.

2, Датчик ЭМД-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации

Х52.320,190ТО. ОПТП "Уралчерметавтоматика", 1979.

3. Датчик наличия проката индуктивный.типа ДНПИ-100. Паспорт

Д162.00.000ПС.Научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт автоматизации черной металлургии, 1977.

„„SU„„8190 А (54)(57) 1. БЛЕКТРОИАГHHTHbIA ДАТЧИК

ДЛЯ КОНТРОЛЯ NETAJIJIH×ÅÑÊÈÕ ИЗДЕЛИЙ, содержащий корпус, разомкнутый магиитопровод с расположенными на нем встречно соединенными возбуждающей и компенсационной обмотками, подсоединенными к входу усилителя, измерительную обмотку, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения чувствительности и надежности в работе датчика, измерительная обмотка расположена между полюсами магнитопровода, причем ее ось ориен. тирована параллельно оси основания .магнитопровода, боковые стенки корпуса выполнены двухслойными, при этом внутренний слой выполнен иэ немаг.нитного металла с высокой электропроводностью, а внешний †из ферро.магнитного материала.

1068190

2. Датчик по и. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что измерительная обмотка установлена с воз3

Изобретение относится к измериге«> ной технике и может быть исполь

io!;ано при автоматизации.техноло- .:и >> ких процессов в черной металi>.ии для контроля положения сталь< изделий, например проката труб, :а»измов и т,п, i. çвестен электромагнитный датчик,, «рименяемый для контроля положения стальных изделий, содержащий корпус, возбуждающую и сигнальную обмотки с дифференциальной схемой включения, генератор, у<.илитель переменного напряжения, выходной усилитель, фазочувствительный выпрямитель, резистор, фазосдвигающую цепь. Возбуждающая обмотка через резистор соединеH с выходом генератора, сигналь ная обмотка соединена с входом уси> итсля переменного напряжения, з«. ;сод которого соединен с рабочим в>«:дом фаз:>чувствительного выпрямит-.ля, вход опорного напряжения котоi>!».о через фазосдвигающую цепль сое.«;» ен с «ыходом генератора„ а выход

<.. входом выходного усилителя 513.

Извеclен также датчик, имеющий ,*;!>i>àëåâîå основание, служащее для

:.1ления датчика на оборудовании, а » качестве корпуса датчика исполь;,.ются внешние слои твердеющего наголнителя либо специальный кожух 30

-из пластмассы (т.е. отсутствует металлический KopI!óñ), Датчик имеет рабочий зазор бО мм при габаритах

100 132 > 9 0 Г21 .

Поскольку обмотки возбуждающая 35 и сигнальная измерительная) предст авлч, .-. л«бой воздушный тра н сформ: —:: ->„»»бужденное поле в простран>!.!- ика симметрично и слабо

:..вано, следствием чего явля- 4g е ";.,1 иево таточная точность,срабаты>лапин (особенно при перемещениях илдицируемых изделий вдоль датчика, например, при постоянном зазоре), >, «. имеет место большая величина пиj, ôåðåíöèàëà, определяемая как р,1. ность координат срабатывания и

n;»ускания датчика лри появлении и

-и,.чезновении изделия в зоне его чувстлительности f Ì, Кроме того, при установке чув- 50 .;:твительного элемента датчика приходится ставить em на определенном удалении от внешних окружающих ме.таллических масс оборудования), что можностью вращения ее в плоскости, перпендикулярной к осям полюсов маг. нитопровода. далеко не всегда возможно, в частности, в металлургии.

Необходимость установки датчика на близком расстоянии от оборудования приводит либо к загрублению датчика (т.е. уменьшению чувствительности и, соответственно, рабочего зазора), либо к невзаимозаменяемости датчиков без специальной подгонки их чувствительности на мес те °

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является датчик индуктивный, содержащий разомкнутый Н-образный магнитопровод, расположенный над металлическим корпусом, датчика, на среднем стержне которого намотана обмотка возбуждения, на концах одной стороны размещены измерительные, а на других — компенсационные обмотки, а также корректирующие обмотки, нагружеыные на отдельный резистор и слу>кащие для устранения исходного сдвига фаз между напряжениями измерительных и компенсационных обмоток, который вызывается влиянием вихревых токов в деталях корпуса чувствительного элемента ° Измерительные и компенсационные обмотки включены встреч= но, разность напряжений, снимаемых с них, подается на усилитель.датчика, содержащий резисторный делитель напряжения, включенный параллельно компенсационной обмотке, и управляющий вход ключа, подсоединенный между выводами компенсационной и измерительной обмоток. При отсутствии металла в зоне чувствительности дат- . чика коммутатор в течение одного полупериода открыт, а в течение второго — закрыт и среднее напряжение на

Koíäåíñàòîðå равно нулю. При появлении металла в рабочей зоне датчика в исходном напряжении присутствует составляющая первой гармоники, причем среднее значение за половину периода изменения питающего напряжения отрицательно, поэтому и на конденсаторе напряжение становится отрицательным, в результате чего появляется выходной сигнал датчика. Металлический корпус служит лишь подставкой, обеспечивающей жест. кость конструкции датчика и возможность его крепления при установке (Э„, тора 5. Часть межполюсного магнитного потока пронизывает измерительную обмотку 4 и наводит в ней напряжение цд, определяемое сечением и количеством витков Обмотки.

Обмотка 4 включена последовательно.встречно с компенсационной обмоткой .3, количество Витков которой выбрано таким Образом,. что наводимое В ней напряжение Ек, близко к напряжению и разиост напряжений между ними, 30 называемая напряжением небаланса E g, была как можно меньше близка к нулю), При Отсутствии индицируемого тела =цб =- -:.,„,„-E а, т-о напряжение, подаваемое иа

ВХОД УСИЛИТ ЧЯ б, НЕДОСтатОЧНО ДЛЯ

ЧТОбы сформировать стандартный сигнал,. в результате чего посЛЯДИИИ Н а ВЫХОДЕ-. ДВТ ЧИКа ОТО Т СТ В"— ет р чтО сВидетельстВу ет Об oTc" тст

Вии В рабочей зОне датчика индицируемого изден ..; — 9 „

При появлении li3 Ie IHH над Да l."чиком геометрия магнитного поля В межполюсном пространстве =-а счет

Взаимодействия поля с изделием изменяется, в частности уменьшаетcs;

МаГНИтНЫй ПОТОК И НаПРЯжЕИИЕ Ец в измерительной Обмотке 4 датчи5Î ка-(с„< E„ ), В результате иа входе усилителя 6 дополнительно появляется напряжение Е сигнала, Определяемого размерами, формой, маркой материа55- ла изделия 9 и расстоянием зазором ) Я между изделием 9 и датчиКОМ.

Таким образом, на вход усилителя б поступает сумма нагряжений

Однако вследствие того, что чувствительный элемент, залитый в эпоксидный компаунд, находится в пространстве над основанием, датчик нужно удалять от металлических предметов (рамы оборудования и т.п.) на расстояние не менее 200 мм, Расстояние между роликами рольгангов при при его применении для индикации стальных ферромагнитных труб свыше 2000 мм. Кроме того, датчик имеет ограниченную помехоустойчивость, что в ряде случаев явно недостаточно, так как нередко возникает необ- ходимость его установки рядом с элек тромагнитами стрелок на конвейер ных линиях или двигателями рольгангов с индивидуальным приводом, где уровень помех много больше нормируемых, Цель изобретения — повышение чувствительности и надежности в работе датчика.

Указанная цель достигается тем, что в электромагнитом датчике для контроля металлических изделий, содержащем корпус, разомкнутый магнитопровод с расположенными на нем встречно соединенными возбуждающей и компенсационной обмотками, подсоединенными к входу усилителя, измерительную обмотку, последняя рас положена между полюсами магнитопровода, причем ее ось ориентирована параллельно оси основания магнитопровода, боковые стенки корпуса выполнены двухслойными, при этом внутренний слой выполнен из немагнитного металла с высокой электропроводностью, а внешний — из ферромагнитного материала.

Кроме того, измерительная обмотка установлена с возможностью вращения ее в плоскости, перпендикулярной к осям полюсов магнитопровода.

На фиг. 1 изображена схема электромагнитного датчика для контроля металлических изделий, на фиг. 2 датчик, вид сверху.

Датчик содержит разомкнутый П-образный (ферритовый ) магнитопровод 1, на котором расположены возбуждающая 2 и компенсационная 3 обмотки.

Измерительная обмотка 4 расположе,на в пространстве между полюсами та- ким образом,что ее ось параллельна основанию магнитопровода. Возбуждающая обмотка 2 подключена к выходу генератора 5 синусоидального напря" жения, выходы встречно включенных компенсационной 3 и измерительной

4 обмоток подключены к входу усилителя 6. 6

Магнитопровод 1 с обмотками 2 - 4 расположен в металлическом двухслойном корпусе, внутренний слой 7 которого выполнен из немагнитного материала с высокой электропроводностью например, медь, алюминий ), а наруж-ный слой S - IиIз 4фIеeрpрpо м iа Iг нитного материала (сталь, железо ) .

Генератор 5 синусоидалвного напряжения является источником переменного напряжения с частотой 510 кГц, что позволяет индицировать изделия телa ) из любых марок стали вследствие ВОЗНИКНОВЕНИЯ В Их МатЕриале Вихревых токов.

Датчик работает следующим Образом.

Протекающий через возбуждающую обмотку ток 3, Величина которого зависит От амплитуды синусоидального напряжения генератора и полного сопротивления обмотки 2, возбуждает В магнитопроводе 1 и межполюсном пространстве переменное магнитное поле частоты /, определяемой частОтой напряжения генераВ усилителе 6 подаваемое на Вход векторное напряжение . - д- усиливаеTñÿ и прeобразуется например, амплитудным, амглитудно-фазовым и

10б 8190 другим способом, из него выделяется составляющая сигнала + и сравни. вается с некоторой пороговой величиной (напряжения) 5, т.е. выполняютсй неравенства: при наличии изделия 9

ЕсФЕЦВ>Е-5 и Ч=,4, при отсутствии изделия

Е р (Ер, и g =,0

10 где Ес„ и Е„б- — преобразованные усилителем б напря жения 4 и Б на его входе, =,4 ("0 - состояние выходного 5 сигнала у датчика, представленное в ло гической форме.

Максимальный рабочий зазор и реа,лизуемая чувствительность датчика зависят от величины сигнал С (при этом зазоре ) и нестабильности напряжения небаланса.

Амплитуда =„ напряжения сигнала уменьшается при увеличении

Зазора 3, причем для изделий 25 плоских и по размерам значительно больших размеров датчика (например, расстоянии между полюсами) эта зависимость близка к экспоненциальной, т.е. 8 30

< = 8 кт где KA — коэффициент, з ависящий от размеров A датчика, концентрации (геометрии) поля в зоне чувствительности датчика, : о — напряжение сигнал) на выходе измерительной обмотки 4 при зазоре 0 =О.

Чем больше размеры А возбуждающей магнитное поле системы датчика и чем больше концентрация поля в рабочей (чувствительной зоне по сравнению с другими частями окружающего пространства, тем большая 45 часть изменения поля за счет его взаимодействия с иэделием передается в сигнальную обмотку и тем больше величина КА.

Напряжение Е„ нельзя получить 50 неизменным, так как оно зависит от многих случайных мешающих факторов, возникающих при эксплуатации, а также например, от точности изготовления узлов датчика, тщательности регулировки и т.п. Обозначая его максимальное изменение через +15 и полагая что напряжение 5п близко к максимальному значении напряжения не, баланса Е 8o + di E, полУчаем следующее услэвие отсутствия лож. ного срабатыв ания датчик а

Ес.+ ибо =на > %+ или с.) 2.ь F8, Для надежной работы датчика минимальное значение сигнала

Fpo(<) Ещ„ СаЗ с(,, или ио = а M= >Ko, где Ум, — соответствующий максимальный зазор.

Отсюда получаем формулу для мак симального зазора 8<, >

8 „< ЖП{O,z-о,aq—

Ео

Ю@9 из которой следует, что при заданных габаритах А чувствительного элемента датчика его максимальный зазор зависит от степени подавления отстройки ), от мешающих факторов (.отношение EаЕ,@>

В числе факторов, увеличивающих напряжение fag и -приводящих к уменьшению чувствительности датчика, являются внешние боковые массы и переменное электромагнитное поле, окружающее датчик.

Поскольку все обмотки датчика расположены внутри металлического корпуса, силовые линии переменного внешнего поля не проходят через об лотки датчика, в том числе через измерительную 4, и напряжение помех в ней не наводится.

Наводимое в измерительной обмотке 4 напряжение Еио зависит от величины напряженности экранируемого стенками корпуса электромагнитного поля, создаваемого возбуждающей обмоткой 2, науодящейся на магнитопроводе 1 ° При отсутствии корпуса или неполного экранирования им внутреннего поля приближение датчика к металлическому стальному) оборудованию изменяет значение напряженности поля в межлолюсном пространстве, в результате чего напряжение Флц изменяется, т,е. появляется дополнительная составляющая Ь Ер изменения напряжения н баланса.

Металлический корпус уменьшает за пределами датчика напряженность остаточного поля, источйиком которого является обмотка возбуждения . датчика., Наибольший эффект экранирсвания создает двухслойный корпус.

Первый, внутренний слой 7 выполнен из немагнитного материала и уменьшает влияние изменений свойств второго ферромагнитного слоя 8 на ЭДС измерительной обмотки 4 датчика до величины порядка 10 Ецо

Второй, внешний слой 8 ослабляет поле в 10-100 раз, делая датчик практически нечувствительным к его

1068190

10 непосредственной установке на металлооборудовании, Напряжени= Ец в измерительной обмотке 4 зависит от отражения внутренним слоем электромагнитного поля

Составляющая напряжения, вносимая за счет этого отражения, равна (5...10) .х10 = и зависит от температуры корпуса вследствие изменения электропроводности материала слоя от температуры. Чем больше электропроводность, тем меньше изменение. Так, для алюминия изменение вносимого напряжения при изменении темпера-! о туры корпуса на 50 С составляет

О, 8% (или околс 2 10 Е, для 15 разработанного датчика), причем это влияние легко может быть уменьшено еще в 10-30 раз известными параметрическими методами.

Таким образом, двухслойный корпус позволяет существенно увеличить отношение Е / Енф и, тем самым, чувствительность датчика за счет уменьшения величины ДЕЛ

Введение корпуса, внутри которого могут находиться обмотки датчика, приводит к существенному снижению величины напряжения Еа (в. измерительной обмотке за счет экранирующего действия корпуса. В результате отношение ? y не увеличивает- ЗО ся, если одновременно не решена за- дача устранения экранирования корпусом создаваемого датчиком собственного поля.

Это противоречие в датчике устра- 35 ,няется путем расположения измеритель ной обмотки 4 между полюсами П-образного магнитопровода 1, на котором расположена возбуждающая 2 и компенсационная 3 обмотки. 40

Металлический корпус экранирует боковую часть магнитного потока, исходящую из основания магнитопровода, и практически устраняет поле в пространстве под магнитопроводом.

При этом за счет уменьшения индуктивности возбуждающих катушек ток через них возрастает (например, на

20%) и несколько возрастает магнитный поток, выходящий иэ полюсов (корпус не только не ослабляет поле в рабочей зоне датчика, а даже несколько увеличивает его).

Измерительная обмотка 4 расположена между полюсами так, что магнитный поток между полюсами наводит 55 в ней ЭДС. Поскольку эта обмотка находится в межполюсном пространстве она слабо связана с возбуждающей

1 обмоткой 2 поле и обладает высокой относительной ) чувствительностью к изменению поля индицируемым изделием.

При таких отличительных особенностях наличие металлического корпуса не уменьшает величины Е и позволяет получить- высокое значение отношения Ba/d E, а применение в межполюсном промежутке магнитопровода 1 измерительной обмотки 4 необходимое значение К т.е..необходимую концентрацию, направленность ноля в рабочем пространстве, что в свою очередь позволяет получить высокие значения максимальных рабочих зазоров Я„,д

Таким образом, изобретение позволяет в формуле для 8, увеличить величины Е и К,, уменьшить AEgg ! т.е. существенно. увеличить чувствительность датчика, сделав его одновременно защищенным от помех при эксплуатации. ,Выполнять балансировку датчика т.е. уравнивать напряжения „Ер и 6@ измерительной 4 и компенсационной

3 обмоток ) надо достаточно точно

1 "1 (с погрешностью 5-10 eo), что практически затруднено (и нетехнологично), с помощью подбора количества витков этих обмоток,, поэтому в датчике предусматривается выполнение измерительной обмотки 4, поворачивающейся в плоскости, перпендикулярной к осям полюсом магнитопровода 1. При этом изменяется угол с (фиг. 2) между осью секции обмотки 4 и осью, проходящей полюсайи (параллельной оси основания магнитопровода 1). Напряжение, наводимого в обмотке 4, определяется по формуле где Б ц — напряжение в обмотке 4 при Ж = О.

При конструировании датчика моточные данные и расположение измерительной обмотки 4 определяются таким образом, что при некотором среднем значении угла Ж, датчик балансируется, т.е. выполняется условие © о о о = а.

При повороте обмотки 4 всегда можно подобрать Ж = 0...2ats чтобы напряжение Я о измеритЕльной обмотки 4 было равно напряЖению кр компенсационной обмотки 3.

Составитель В. Этинген

Редактор С. Саенко Техред N,Tåïåð Корректор,А. Ференп

Закаэ,11363/7 Тираж 801 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная 4