Прохідний електромагнітний перетворювач для контролю перерізу сталевих канатів

Техническое решение относится к неразрушающему электромагнитному контролю и может быть использовано для определения потери сечения стали канатов в процессе их эксплуатации. Известен проходной вихретоковый преобразователь для контроля ферромагнитных труб, выбранный в качестве прототипа, содержащий возбуждающую и измерительную обмотки, выполненные в виде накладных вытянуты х вокруг трубы прямоугольных катушек, каждая из которых охватывает половину окружности, катушки измерительной обмотки включены последовательно-встречно, возбуждающая обмотка выполнена идентично измерительной, а ее катушки установлены компланарно катушкам измерительной обмотки. Магнитные потоки катушек направлены перпендикулярно поверхности трубы и противоположны. Катушки разделены ферромагнитной трубой как экраном и не имеют магнитной связи между собой, чем обеспечивается сложение полезных сигналов, несущи х информацию о дефектах в теле трубы и взаимное уравновешивание ЭДС, наводимых в катушках паразитными магнитными потоками [1]. Этот преобразователь может быть использован для контроля стальных канатов, однако точность измерения внутренних дефектов будет недопустимо низкой вследствие влияния скинэффекта, ограничивающего глубину проникновения электромагнитного поля в контролируемый канат. Кроме того, прототипу в этом случае свойственны следующие недостатки: - необходимость применения низких рабочих частот порядка 10 - 20Гц, что ограничивает скорость контроля; - нелинейность функции преобразования и сильная магнитная связь между обмотками, приводящая к наличию напряжения на выходе измерительной обмотки при отсутствии каната. В основу изобретения поставлена задача создать такой проходной электромагнитный преобразователь для контроля сечения стальных канатов, в котором новая конфигурация катушек обмоток позволила бы сконцентрировать электромагнитное поле в середине контролируемого каната и за счет этого повысить точность измерения внутренней потери сечения стали проволочных канатов. Для этого в проходном электромагнитном преобразователе, содержащем возбуждающую обмотку и измерительную обмотку, выполненную в виде двух вытянуты х прямоугольных катушек, установленных напротив друг друга так, что каждая из них охва тывает половину окружности, катушки измерительной обмотки включены последовательно-встречно, возбуждающая обмотка выполнена идентично измерительной и установлена аксиально, измерительной обмотке, согласно изобретению катушки обмоток вытянуты аксиально на длину, равную 4 - 6 радиусов их поперечных участков, а поперечные участки катушек измерительной обмотки аксиально удалены от поперечных участков катушек возбуждающей обмотки на расстояние, равное 1 - 6 их радиусов, при этом радиус поперечных участков катушек составляет 1 - 1,5 диаметра каната. Задача решается путем аксиального удаления поперечных участков катушек измерительной обмотки от поперечных участков катушек возбуждающей обмотки, образующи х вокруг каната кольцевые обмотки, магнитносвязанные через канат. В самих же возбуждающей и измерительной обмотках катушки обмоток вытянуты аксиально так, что образуемые их поперечными участками пары встречно включенных кольцевых обмоток практически не имеют магнитной связи через канат. На фиг.1 показана зависимость нормированного выходного напряжения кольцевой измерительной обмотки на стальном проволочном канате от его сечения при расстояниях от кольцевой возбуждающей обмотки, соответствует совмещенным обмоткам; на фиг.2 зависимость от частоты усредненной абсолютной погрешности измерения внутренней потери сечения каната относительно наружной при расстояниях между кольцевыми возбуждающей и измерительной обмотками; на фиг.3 - зависимость усредненной абсолютной погрешности от расстояния (в радиусах кольцевых обмоток между кольцевыми возбуждающей и измерительной обмотки при частотах На фиг.4 и 5 схематически изображены два из возможных вариантов выполнения проходного электромагнитного преобразователя с контролируемым канатом 1 диаметром Преобразователь состоит из возбуждающей 2 и измерительной 3 обмоток. Возбуждающая обмотка 2 содержит две катушки 4 и 5, а измерительная обмотка 3 - катушки 6 и 7. Катушки обмоток вытянуты аксиально на длину где радиусы поперечных участков катушек. Поперечные участки 8 измерительной обмотки 3 удалены от ближайших поперечных участков 9 катушек возбуждающей обмотки 2 на расстояние Векторы указывают мгновенное направление магнитного потока. В варианте, изображенном на фиг.4, измерительная обмотка 3 установлена вне возбуждающей обмотки 2. В варианте, изображенном на фиг.5, положение одних поперечных участков катушек измерительной обмотки 3 выбирается между поперечными участками катушек возбуждающей обмотки 2 по минимуму паразитной ЭДС на выходе преобразователя без каната. Другие поперечные участки измерительной обмотки 3 находятся вне возбуждающей обмотки 2. Замена кольцевых обмоток вокруг каната на магнитносвязанные через канат кольцевые обмотки, образованные поперечными участками вытянуты х прямоугольных катушек теоретически была бы равноценной при бесконечной длине катушек. Практически, найденная длина катушек обмоток преобразователя приводит только к уменьшению положительного эффекта на 15 ... 20%. В процессе контроля канат 1 находится внутри преобразователя. Поперечные участки катушек обмоток образуют аксиально разнесенные пары встречно включенных кольцевых обмоток с токами и ЭДС, направленными вокруг каната. Чтобы два аксиальных и противоположных магнитных потока, создаваемых в канате 1 возбуждающей обмоткой 2, не ослабляли друг друга, а ЭДС в измерительной обмотке 3 не взаимокомпенсировались, катушки обмоток вытянуты вдоль каната на расстоянии Экспериментами на канатах различных конструкций и диаметров установлено, Что переменный магнитный поток в канате быстро рассеивается в пространстве вокруг каната при аксиальном удалении от кольцевой возбуждающей обмотки по закону, близкому к экспериментальному. А расстояние, при перемещении на которое магнитный поток уменьшается в 2,718 ... раз составляет 4,2 где - сечение стали каната. Этот процесс можно описать зависимостью где - напряжение на выходе кольцевой измерительной обмотки, при ее совмещении с возбуждающей; - то же, на расстоянии от кольцевой возбуждающей обмотки. Радиус поперечных участков катушек составляет 1 ... 1,5 диаметра каната из тех соображений, что при меньшем радиусе буде т сказываться неравномерность магнитного поля внутри кольцевой возбуждающей обмотки (см.: В.А. Говорков. Электрические и магнитные поля. Госэнергоиздат, 1960. - С.220 - 222). При большем радиусе, как показывает практика, снижается чувствительность преобразователя к измерениям сечения каната и увеличивается погрешность измерения. Выразив сечение стали каната через его диаметр учтя при этом коэффициент заполнения металлом, колеблющийся для канатов разных конструкций в пределах 0,5 ... 0,8, приняв радиусы кольцевых обмоток равным диаметру каната, получим При выборе размеров и расположения катушек преобразователя ставилось условие - не выйти из пределов допустимой основной абсолютной погрешности ±2% измерений. Одним из факторов, вызывающих погрешности измерения, является прядевая структура каната, приводящая к изменениям полезного сигнала в результате изменения центровки каната в обмотках. Уменьшить влияние этого фактора можно увеличением длины катушек. Длина катушек ограничивается другим фактором - повышением чувствительности к внешним магнитным полям, имеющим градиент напряженности. Серией экспериментов на канатах диаметром 10 ... 65мм установлено, что оптимальная длина катушек равна Кольцевые обмотки, одна из которых образована поперечными участками 8 катушек 6 и 7 измерительной обмотки 3, другая -поперечными участками 9 катушек 4 и 5 возбуждающей обмотки 2, удалены аксиально друг от друга на расстояние и имеют магнитную связь только через канат 1. Канат 1 из-за слабого магнитного контакта между отдельными проволочками и между слоями проволок проявляет себя в магнитном поле как многослойная структура, у которой магнитная проводимость вдоль каната выше, чем для поперечного поля. В плоскости кольцевой возбуждающей обмотки, чему соответствует расстояние на фиг.1 и 2, магнитная индукция уменьшается к центру каната не только вследствие магнитного поверхностного эффекта, так как рабочая частота относительно низкая, но и за счет стремления силовых линий магнитного поля пройти по участкам с меньшим магнитным сопротивлением - по наружным слоям каната как по стенкам экрана. Это косвенно отражено кривыми на фиг.1 и 2. На фиг.1 угол наклона кривой увеличивается с уменьшением сечения вследствие улучшения проникновения переменного магнитного поля в оставшемся сечении каната. (Поэтому функция преобразования нелинейна). На фиг.2 - это видно по занижению показаний внутренней потери сечения относительно наружной падающим с уменьшением частоты. Эффект экранирования проявляется и в постоянном магнитном поле, что можно видеть, продлив кривую на фиг.2 до нулевой частоты, где погрешность измерений не становится равной нулю. В зоне рассеяния магнитного потока при аксиальном удалении от возбуждающей обмотки распределение индукции магнитного поля в сечении каната определяется соотношением магнитной проводимости и рассеяния. Здесь, благодаря экранированию центральных областей каната наружными, индукция в центре каната увеличивается относительно индукции в его наружных слоях. На кривых и фиг.2 и и фиг.3 - это видно по превышению показаний на внутренней потере сечения. Пересечение кривыми и на фиг.2 оси частот говорит о существовании оптимальной рабочей частоты, которая выше обычно применяемых, а кривая фиг.3 показывает, что при этом погрешность измерения внутренней потери сечения относительно наружной в широкой области расстояний минимальна. Очевидно, что и функция преобразования сечения стали каната в выходное напряжение при этом линейна. Кривая на фиг.1 подтверждает возможность линеаризации функции преобразования благодаря этому эффекту. Начало кривой на ординате на фиг.1, говорит об уменьшении паразитной ЭДС, не несущей информации о канате. Экспериментально установлено, что для канатов диаметром 10 ... 65мм оптимальное расстояние x между поперечными участками катушек возбуждающей и измерительной обмоток равно при допустимом диапазоне расстояний за пределами которого абсолютная погрешность измерения превышает допустимую ±2%. Для прядевых канатов диаметром 42 ... 65мм оптимальной является рабочая частота порядка 60Гц, для канатов меньших диаметров - 90Гц. Для каната закрытой конструкции соответственно 40Гц и 60Гц. У серийного измерителя ИИСК-5 рабочая частота 20Гц. Реальный канат имеет неоднородные магнитные свойства как по длине, так и по сечению. Внутренние проволоки в прядях каната и проволоки сердечника, когда он есть, имеют обычно меньший диаметр относительно наружных и соответственно меньшее магнитное сопротивление для переменного магнитного поля. Это, а также и другие факторы, не позволяет реализовать основную абсолютную погрешность измерения площади поперечного сечения стали канатов электромагнитными методами, основанными на переменном токе, менее ±2%. Сравнительные испытания на контрольных образцах канатов с искусственными дефектами показали, что погрешность измерения как внутренней, так и наружной потери сечения у измерителя с предлагаемым преобразователем не выходит из пределов допустимой основной абсолютной погрешности ±2%, а у серийного измерителя ИИСК-5 показания при измерении внутренней потери сечения занижены на 3%. В преобразователе трансформаторного типа сердечником является канат, о потере сечения которого судят по относительному уменьшению выходного напряжения, являющимся разностью ЭДС, наводимых в двух его кольцевых обмотках, одна из которых нерабочая. Повышение рабочей частоты преобразователя существенно для упрощения схемы прибора. В преобразователе сохраняются свойственные прототипу достоинства - удобство в эксплуатации и нечувствительность к паразитным магнитным потокам в канате.