Способ косвенного вихретокового резонансного контроля и измерения температуры изделий из ферромагнитных материалов

Изобретение относится к области термометрии, а именно к способам косвенного измерения температуры, и может быть использовано для бесконтактного контроля и измерения температуры изделий из ферромагнитных материалов непосредственно в процессе нагрева токами заданной частоты. Способ косвенного вихретокового резонансного контроля и измерения температуры изделий из ферромагнитных материалов, включающий расположение изделий в переменном магнитном поле индуктора в составе резонансного колебательного контура, подключенного к выходу силового источника, согласно изобретению, измерение осуществляется за счет совместного анализа фазовых и амплитудных характеристик тока цепи индуктора в процессе нагрева изделия токами заданной частоты, при этом подключение силового источника выполняется таким образом, чтобы на резонансной частоте при активном характере импеданса индуктора ток в цепи индуктора переходил через ноль в момент времени О, не совпадающий с моментами коммутации ключей силового источника, далее осуществляют измерение параметров для определения температуры изделия. Изобретение обеспечивает повышение скорости осуществления, точности и надежности способа косвенного вихретокового резонансного контроля и измерения температуры изделий произвольной массы и размеров из ферромагнитных материалов за счет совместного анализа зависимых от температуры параметров материала изделий непосредственно в процессе их нагрева токами заданной частоты без необходимости отключения питания индуктора. 4 ил.

 

Изобретение относится к области термометрии, а именно к способам косвенного измерения температуры, и может быть использовано для бесконтактного контроля и измерения температуры изделий из ферромагнитных материалов непосредственно в процессе нагрева токами заданной частоты.

В основе способов вихретокового косвенного измерения температуры лежит анализ температурнозависимых параметров проводящих сред, в том числе ферромагнитных материалов, помещённых в переменное магнитное поле, генерируемое катушкой индуктивности (индуктором).

Следовательно, вихретоковый способ предполагает измерение температуры в слоях материала, участвующих в прохождении индуцированных токов заданной частоты.

Система, состоящая из индуктора и нагреваемого электропроводящего изделия, представляет собой трансформатор, одна из обмоток которого, замкнута накоротко. Изменение температурнозависимых параметров нагреваемого изделия, например, удельного электрического сопротивления или относительной магнитной проницаемости, оказывает влияние на электрические параметры цепи индуктора, в том числе на сдвиг фазы между током и напряжением индуктора, на амплитуду тока цепи индуктора и напряжения на индукторе.

Из современного уровня техники известен способ косвенного вихретокового контроля и измерения температуры проводящих материалов, а именно ёмкостей для варки, на основе анализа их температурнозависимых параметров в процессе нагрева с помощью индукционной кухонной плиты (US7692121B2, опубл. 6.04.2010. - «Temperature control for an inductively heated heating element»). Питание индуктора осуществляется при помощи полумостовой транзисторной схемы, а измерение температуры осуществляется на основе совместного анализа амплитудных характеристик тока цепи индуктора и напряжения на индукторе. При этом для измерения указанных параметров цепи индуктора используются известные измерительные приборы (например, амперметр и вольтметр).

Недостатком такого способа является необходимость периодического отключения нагрева (питания индуктора) в промежутки времени, соответствующие измерению параметров цепи индуктора, что приводит к остыванию изделия, уменьшению точности измерения температуры, ограничению частоты производимых измерений.

Кроме того, недостатком является учёт только электрического сопротивления материала, которое изменяется в зависимости от температуры без учёта изменения относительной магнитной проницаемости, что может негативно влиять на точность измерения температуры.

Кроме того, недостатком известного способа является отсутствие электрических фильтров между индуктором и выходом полумостового источника напряжения заданной частоты, что выражается в значительном влиянии на параметры цепи индуктора паразитных параметров проводов и элементов источника напряжения, что особенно важно при измерении температуры изделий малой массы.

Наиболее близким аналогом является способ косвенного вихретокового резонансного контроля и измерения температуры ёмкостей для варки, изготовленных из ферромагнитных материалов (US9544947B2, опубл. 10.01.2017. «Temperature measurement in a cooking vessel). Индуктор, применяемый для нагрева изделия, включается в параллельный колебательный контур. По мере изменения температуры контролируемого изделия происходит изменение температурнозависимых параметров материала изделия, а следовательно, электрических параметров цепи индуктора, что приводит к изменению собственной частоты колебательного контура. В случае если индуктор используется как в качестве нагревательного элемента, так и в качестве измерительной катушки, то цепь индуктора с заданной периодичностью попеременно включается в силовую цепь и в параллельный колебательный контур, который в таком случае является частью генератора высокочастотных колебаний, который осуществляет работу на собственной частоте колебательного контура. При этом обеспечивается автоподстройка частоты генератора под собственную частоту колебательного контура, что позволяет установить зависимость между частотой работы генератора и температурой изделия. В случае, если используется измерительная катушка, индуктивно связанная с индуктором, то периодически в силовой цепи отключается питание, что обеспечивает наведение ЭДС в измерительной катушке с собственной частотой колебательного контура (который в данном случае является частью силовой цепи). Тогда измеряется разница между частотой наведённого ЭДС (или индуцированного тока) в измерительной катушке и заранее заданной резонансной частотой колебательного контура, и устанавливается её зависимость от температуры изделия.

Недостатком такого способа является необходимость периодического отключения нагрева (питания индуктора) в промежутки времени, соответствующие измерению параметров цепи индуктора, что приводит к остыванию изделия, уменьшению точности и надежности измерения температуры, ограничению частоты производимых измерений. По мере уменьшения массы изделия и увеличения скорости его охлаждения ошибка измерения увеличивается.

Кроме того, уменьшение массы изделия при сохранении частоты измерения приводит к сужению диапазона, в котором изменяется ряд параметров цепи индуктора, прямо или косвенно зависящих от температуры ферромагнитного изделия (ёмкостей для варки, нагреваемых с помощью индукционной плиты), а увеличение частоты приводит к значительному усложнению процесса измерения требуемых параметров. Оба этих фактора оказывают значительное негативное влияние на точность измерения. Данный способ предназначен для контроля и измерения температуры массивных объектов, т.к. диаметр ёмкостей составлял 105, 210 и 300 мм.

Кроме того, отсутствовали электрические фильтры между индуктором и выходом источника напряжения заданной частоты, что выражалось в значительном влиянии на параметры цепи индуктора паразитных параметров проводов и элементов источника напряжения, что особенно важно при измерении температуры изделий малой массы.

Технический результат - повышение скорости осуществления, точности и надежности способа косвенного вихретокового резонансного контроля и измерения температуры изделий произвольной массы и размеров из ферромагнитных материалов за счет совместного анализа зависимых от температуры параметров материала изделий непосредственно в процессе их нагрева токами заданной частоты без необходимости отключения питания индуктора.

Заявляется способ косвенного вихретокового резонансного контроля и измерения температуры изделий из ферромагнитных материалов, включающий расположение изделий в переменном магнитном поле индуктора в составе резонансного колебательного контура, подключенного к выходу силового источника, согласно изобретению, измерение осуществляется за счет совместного анализа фазовых и амплитудных характеристик тока цепи индуктора в процессе нагрева изделия токами заданной частоты, при этом подключение силового источника выполняется таким образом, чтобы на резонансной частоте при активном характере импеданса индуктора ток в цепи индуктора переходил через ноль в момент времени О, не совпадающий с моментами коммутации ключей силового источника, далее осуществляют измерение амплитуды сигнала тока цепи индуктора, а также его фазового сдвига относительно сигнала напряжения силового источника с помощью гальванически развязанного датчика тока цепи индуктора, для чего полезный сигнал с этого датчика подвергают аналого-цифровому преобразованию,и проводят пару последовательных измерений с временным сдвигом до и после момента О, при этом моменты аналого-цифрового преобразования синхронизируют с моментами переключения ключей силового источника, далее с помощью линейной интерполяции определяют величину фазового сдвига в момент О и амплитуду сигнала, после чего однократно устанавливают зависимость измеряемой температуры изделия от полученных величин фазового сдвига и амплитуды сигнала, которую используют для определения температуры изделия,

Изобретение поясняется фигурами 1-4.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, обеспечивающего реализацию заявляемого способа косвенного вихретокового резонансного контроля и измерения температуры изделий из ферромагнитных материалов, где

Q₁Q₂Q₃Q₄ - управляющие сигналы ключей силового источника, U_ток - измеряемый полезный сигнал, p - сдвиг фазы между левой и правой парами ключей силового источника, a и b - измерения полезного сигнала до и после момента О≡p/2.

Гальванически развязанный датчик тока цепи индуктора в данном примере выполнен в качестве измерительной катушки, представляющей собой вторичную обмотку, которая индуктивно связана с индуктором и электрически изолирована от него.

Силовой источник в данном примере выполнен в качестве источника напряжения заданной частоты, собранного по схеме полного моста, управление которым осуществляется методом фазового регулирования мощности (PSM) посредством изменения сдвига фазы p между левой и правой парами ключей моста при помощи двух прямых управляющих сигналов Q₁ и Q₂ для верхней пары ключей (S₁, S₂) и двух инверсных управляющих сигналов Q₃ и Q₄ для нижней пары ключей (S₃, S₄).

Общий синхрогенератор задаёт моменты активации аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а также коммутации ключей силового источника (генерации управляющих сигналов). В общем случае генератор управляющих сигналов Q₁Q₂Q₃Q₄, синхрогенератор и АЦП являются частями одного микроконтроллера;

На фиг. 2 показан пример фазово-частотной характеристики (ФЧХ) сигнала тока I цепи индуктора L₁ (полезного сигнала U_ток), демонстрирующий изменение сдвига фазы ϕ между сигналом тока цепи индуктора и сигналом напряжения силового источника при отклонении резонансной частоты f_н от рабочей f_р по мере изменения температуры изделия в рабочем диапазоне температуры от T_min до T_max, где T₁, T₂, T₃ - промежуточные значения температуры изделия в порядке возрастания в указанном рабочем диапазоне. Где f_н1…f_н2 - интервал частот, в котором возможна регистрация изменений сдвига фазы ϕ в диапазоне от ϕ_min до ϕ_max, где ϕ_min принимает предельное значение в -90°, а ϕ_max принимает предельное значение в +90°;

На фиг. 3 показана принципиальная схема измерительного устройства, обеспечивающая реализацию предлагаемого способа косвенного вихретокового резонансного контроля и измерения температуры изделий из ферромагнитных материалов. В левой части представлена схема силового источника напряжения заданной частоты с подключённым к нему через согласующий элемент параллельным колебательным контуром L₁C₁. При этом согласующий элемент может представлять собой катушку индуктивности L₂, которая включается последовательно с выходом силового источника и параллельным колебательным контуром L₁C₁. В правой части представлена схема измерительной цепи, в которую включен гальванически развязанный датчик тока цепи индуктора, который может быть выполнен в качестве измерительной катушки L₃.

На фиг. 1, 2 ,3 показаны следующие позиции:

1 - изделие из ферромагнитного материала;

2 - индуктор;

3 - параллельный колебательный контур;

4 - согласующий элемент;

5 - катушка индуктивности;

6 - силовой источник напряжения заданной частоты;

7 - измерительная катушка;

8 - сопротивление;

9 - ограничитель уровня сигнала;

10 - операционный усилитель;

11 - первый делитель напряжения;

12 - второй делитель напряжения;

13 - третий делитель напряжения;

14 - аналого-цифровой преобразователь;

15 - измерительная цепь;

16 - генератор управляющих сигналов;

17 - общий синхрогенератор;

18 - микроконтроллер;

19 - гальванически развязанный датчик тока цепи индуктора.

На фиг. 4 показаны диаграммы: управляющих сигналов Q₁ и Q₂ для верхней пары ключей силового источника напряжения заданной частоты со сдвигом фазы p относительно друг друга, синхронизирующего сигнала K, который отвечает за генерацию управляющих сигналов и за моменты активации АЦП, диаграмма полезного сигнала U_ток на выходе операционного усилителя (ОУ). Показаны два последовательных измерения полезного сигнала U_ток с симметричным сдвигом n от середины (О≡p/2) между фронтами управляющих сигналов Q₁ и Q₂ (измерение a для момента О-n; измерение b для момента О+n) при нулевом сдвиге фазы ϕ между сигналом тока I цепи индуктора L₁ и сигналом напряжения силового источника напряжения заданной частоты. Результатом линейной интерполяции, а в данном примере результатом суммирования симметричных относительно момента О измерений a и b полезного сигнала U_ток будет нуль. O - это момент пересечения полезным сигналом U_ток нуля при активном характере импеданса индуктора. В представленном на фигуре 4 примере производится одно из двух последовательных измерений полезного сигнала U_ток за период тока цепи индуктора 2. Может производиться пара последовательных измерений a и b полезного сигнала U_ток за период тока цепи индуктора 2.

Способ осуществляется следующим образом:

Предварительно определяют диапазон рабочих температур (T_min…T_max), в котором будет производиться работа с изделием 1 из ферромагнитного материала. Разрабатывают индуктор 2 (L₁) требуемой формы и размера, который выступает в роли генератора переменного магнитного поля, в которое помещается изделие 1. Индуктор 2 включают в резонансный колебательный контур, который подключен к выходу силового источника 6, который собирают так, чтобы он обеспечивал необходимую частоту нагрева.

Подключение силового источника 6 к индуктору выполняют таким образом, чтобы на резонансной частоте при активном характере импеданса индуктора 2 ток I в цепи индуктора 2 переходил через ноль в момент О, не совпадающий с моментами коммутации ключей силового источника.

В данном примере для этого разработан силовой источник напряжения заданной частоты 6, собранный по схеме полного моста. При этом к выходу силового источника 6 через согласующий элемент 4 подключен параллельный колебательный контур 3 (L₁C₁). При этом согласующий элемент 4 может представлять собой катушку индуктивности 5 (L₂), которая включена последовательно с выходом силового источника 6 и параллельным колебательным контуром 3 (L₁C₁). Управление силовым источником напряжения заданной частоты 6 осуществляется методом фазового регулирования мощности (PSM). Тогда при активном характере импеданса индуктора ток I цепи индуктора 2 (L₁) переходит через ноль в момент О, соответствующий половине сдвига фазы p между левой и правой парами ключей силового источника 6. Сдвиг фазы p (в данном примере между прямыми управляющими сигналами Q₁ и Q₂ или инверсными Q₃ и Q₄) определяет выходное напряжение силового источника 6 и потребляемую индуктором 2 (L₁) мощность. Управляющие сигналы в общем случае генерируются внутри микроконтроллера 18.

Нагрев изделия 1 осуществляется на частоте близкой к собственной частоте резонансного колебательного контура. В данном примере нагрев изделия 1 осуществляют на частоте f_p близкой к частоте резонанса напряжений f_н в контуре L₂C₁ (фиг. 2, 3). По мере изменения температурнозависимых параметров ферромагнитного материала изделия 1 изменяются электрические параметры цепи индуктора 2 (L₁), происходит отклонение резонансной частоты f_н от заданной рабочей частоты f_p. В результате происходит изменение фазовых и амплитудных характеристик тока цепи индуктора 2 так, что момент перехода током I цепи индуктора 2 через ноль сдвигается от момента О.

Далее осуществляют измерение амплитуды сигнала тока I цепи индуктора 2, а также его фазового сдвига ϕ относительно сигнала напряжения силового источника 6 с помощью гальванически развязанного датчика тока цепи индуктора 19, для чего полезный сигнал с этого датчика подвергают аналого-цифровому преобразованию. Амплитуда тока I цепи индуктора 2, и соответственно, полезного сигнала, также зависит от потребляемой индуктором 2 (L₁) мощности.

В данном примере АЦП однополярный.

В данном примере гальванически развязанный датчик тока цепи индуктора 19 выполнен в качестве измерительной катушки 7, представляющей собой вторичную обмотку, которая индуктивно связана с индуктором 2 и электрически изолирована от него. Выводы измерительной катушки 7 через включённое последовательно сопротивление 8 подключены к ограничителю уровня сигнала 9. Инверсный вход операционного усилителя 10 подключен к средней точке первого делителя напряжения 11 (R₃R₄), один выход которого подключен к первому выводу ограничителя уровня сигнала 9, а другой - к выходу операционного усилителя 10. Прямой вход операционного усилителя 10 подключен к средней точке второго делителя напряжения 12 (R₂R₅), один выход которого подключен ко второму выводу ограничителя уровня сигнала 9, а другой - к средней точке третьего делителя напряжения 13 (R₆R₇). Один выход третьего делителя напряжения 13 (R₆R₇) подключен к источнику питания операционного усилителя 10, а другой - заземлён. Выход операционного усилителя 10 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 14. Тогда в результате протекания переменного тока I через индуктор 2 (L₁) генерируемое переменное магнитное поле индуцирует в измерительной катушке 7 (L₃) электродвижущую силу (ЭДС), соответствующую по своим частотным и фазовым характеристикам току I цепи индуктора 2 (L₁). При этом измерительная цепь 15 вносит в напряжение с измерительной катушки 7 постоянную составляющую, смещая его в положительную область, и усиливает его так, что полученный на выходе измерительной цепи 15 полезный сигнал подвергается аналого-цифровому преобразованию.

Далее проводят пару последовательных измерений с временным сдвигом до и после момента О, при этом моменты аналого-цифрового преобразования синхронизируют с моментами коммутации ключей силового источника.

В данном примере моменты активации АЦП 14 синхронизируются с управляющими сигналами (моментами коммутации ключей силового источника 6), которые формируются генератором управляющих сигналов 16, с помощью общего синхрогенератора 17 так, что не чаще чем раз за период тока I цепи индуктора 2, определяется момент О ≡ p/2. При помощи аналого-цифрового преобразователя 14 производится пара последовательных измерений a и b с временным сдвигом n до и после момента О. После этого из измерений a и b устраняется постоянная составляющая полезного сигнала.

Далее с помощью линейной интерполяции определяют величину фазового сдвига в момент О и амплитуду сигнала.

В данном примере для пары симметричных измерений относительно момента О, применение линейной интерполяции сводится к суммированию измерений a и b. Сумма двух измерений a и b выражается через величину Ω, измеряемую в вольтах. Производится предварительная настройка, в ходе которой подбором номиналов элементов цепи подбирается собственная частота резонансного колебательного контура такая, чтобы изменению температуры изделия во всём рабочем диапазоне от T_min до T_max соответствовало некоторое регистрируемое изменение сдвига фазы ϕ между сигналом тока I цепи индуктора 2 (L₁) и сигналом напряжения силового источника 6 в пределах от -90° до +90°. Определяют температуру изделия 1, при которой работа резонансного колебательного контура будет осуществляться на собственной частоте.

Далее однократно устанавливают зависимость измеряемой температуры изделия 1 от полученных величин фазового сдвига и амплитуды сигнала, которую используют для определения температуры изделия 1.

В данном примере однократно устанавливают зависимость измеряемой температуры изделия 1 из ферромагнитного материала от величины Ω. Измеренная температура изделия 1 из ферромагнитного материала выводится с микроконтроллера 18 на внешний интерфейс.

Пример.

В качестве изделия выступает ферромагнитная трубка массой 1.1 г с толщиной стенки 1 мм, внешний диаметр которой составляет 4 мм, внутренний диаметр 2 мм, а длина 20 мм. В качестве материала трубки выступает сталь 40Х13. Индуктор L₁, формирующий переменное магнитное поле, в которое помещается трубка, выполнен в виде винтовой многовитковой катушки. Индуктор намотан 20 витками изолированного медного высокочастотного провода (литцендрата) диаметром 0.75 мм в два слоя шахматной намоткой на полое фторопластовое намоточное основание п-образного сечения (открытой частью в бок). Внутренний диаметр индуктора составляет 10 мм, внешний диаметр 12.8 мм, высота 14 мм. Высота намоточного основания составляет 16 мм, внутренний диаметр 8 мм, толщина стенки по профилю 2 мм. Сопротивление и индуктивность цепи индуктора измерялась путем ее включения в цепь переменного напряжения с частотой 100 кГц близкой к предполагаемой частоте нагрева. Измерение производилось при помощи RLC-метра. Сопротивление участка цепи индуктора L₁ без трубки составило 0.13 Ом, а с трубкой 1.11 Ом. Индуктивность цепи индуктора L₁ без трубки 6.4 мкГн, а с трубкой 7.8 мкГн.

Индуктор L₁ включается в параллельный колебательный контур L₁C₁, при этом ёмкость конденсатора C₁ составляет 450 нФ. Параллельный колебательный контур подключается к выходу силового источника напряжения заданной частоты (инвертору напряжения) через согласующий элемент, в качестве которого выступает катушка индуктивности L₂, номинал которой составляет 9.62 мкГн. Катушка индуктивности L₂ включается последовательно с параллельным колебательным контуром L₁C₁ и выходом инвертора напряжения. Инвертор напряжения собран по схеме полного моста, а в качестве четырех силовых ключей моста выступают полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП-транзисторы). Управление МОП-транзисторами осуществляется при помощи двух прямых управляющих сигналов Q₁ и Q₂ для верхней пары транзисторов и двух инверсных сигналов Q₃ и Q₄ для нижней пары транзисторов. Управление полным мостом, т.е. регулирование напряжения на выходе инвертора осуществляется методом фазового регулирования мощности (PSM) за счёт сдвига фазы p между парами транзисторов левого и правого плеча моста в диапазоне от 0 до 180 °. В приводимом примере задаётся сдвиг фазы p между управляющими сигналами Q₁ и Q₂ для пары верхних транзисторов. При активном характере импеданса индуктора L₁ с трубкой применение метода управления PSM обеспечивает положение точки О перехода током I цепи индуктора через ноль посередине между фронтами прямых управляющих сигналов Q₁ и Q₂, т.е. в момент соответствующий половине сдвига фазы p между этими управляющими сигналами. Активный характер импеданса индуктора в данном примере обеспечивается при резонансе напряжений в последовательном колебательном контуре L₂C₁.

Частота работы f_р инвертора напряжения в данном примере составляет 115 кГц, а частота резонанса напряжений f_н в контуре L₂C₁ составляет 116.2 кГц.

При нагреве трубки происходит изменение удельного электрического сопротивления и относительной магнитной проницаемости ферромагнитного материала трубки. Зависимость магнитной восприимчивости от температуры для ферромагнитных материалов описывается законом Кюри-Вейсса:

,

где С - постоянная Кюри-Вейсса, T - текущая температура материала, Т_к - температура Кюри ферромагнитного материала, которая для стали 40Х13 примерно равна 900 °С.

Магнитная восприимчивость связана с относительной магнитной проницаемостью следующим образом:

.

Зависимость удельного электрического сопротивления материала проводника от температуры выражается следующим уравнением:

,

где - удельное электрическое сопротивление проводника при нуле градусов, - удельное электрическое сопротивление проводника при температуре T, - температурный коэффициент сопротивления материала проводника.

В результате изменения параметров материала трубки происходит изменение электрических параметров цепи индуктора L₁, аналогично тому, как они менялись в ходе измерения электрических параметров данной цепи при помощи RLC-метра при наличии и при отсутствии трубки в переменном магнитном поле индуктора.

Активное сопротивление R участка цепи рассчитывается следующим образом:

,

где - длина проводника, S - площадь сечения проводника, через которую протекает ток. При этом активное сопротивление цепи зависит от частоты f_р, т.е. глубины протекания (скин-эффект) переменного тока в объеме трубки, витков индуктора и соединительных проводов. Для переменного тока приблизительно:

где - глубина скин-слоя, r - радиус проводника, - магнитная постоянная. Зависимость индуктивности индуктора L₁ от относительной магнитной проницаемости для индуктора (винтовой намотки) выражается следующим образом:

,

где N - количество витков индуктора, S₁ - площадь поперечного сечения индуктора, l₁ - высота индуктора.

Изменение электрических параметров цепи индуктора приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура L₁C₁, а также и контура L₂C₁. Отклонение резонансной частоты f_н последовательного контура L₂C₁ от рабочей частоты f_р инвертора напряжения приводит к изменению сдвига фазы ϕ между сигналом тока I цепи индуктора и сигналом напряжения инвертора. Например, если изначально или в результате изменения температуры трубки резонансная частота f_н последовательного контура L₂C₁ приняла значение равное рабочей частоте f_р и импеданс индуктора L₁ принял активный характер, то дальнейший нагрев или охлаждение приведёт к отклонению f_н от f_р и изменению характера импеданса, изменению сдвига фазы ϕ, что в свою очередь приведёт к смещению момента перехода нуля током I цепи индуктора от момента О. Величина данного отклонения, таким образом, характеризует изменение температуры изделия, в данном случае, трубки.

Резонансная частота f_т параллельного колебательного контура L₁C₁, а также резонансная частота f_н последовательного контура L₂C₁ определяются следующим образом:

Для анализа фазовых и амплитудных характеристик тока цепи индуктора L₁ к первичной обмотке, в качестве которой выступает собственно индуктор, добавляется электрически изолированная от неё измерительная катушка в качестве вторичной обмотки (гальванически развязанный датчик тока цепи индуктора L₁), согласно схеме представленной на фиг. 1. Измерительная катушка L₃ выполнена поверх индуктора винтовой шахматной намоткой из 20 витков медного провода диаметром 0.35 мм в два слоя.

В результате протекания переменного тока через первичную обмотку L₁, генерируемое переменное магнитное поле индуцирует во вторичной обмотке L₃ электродвижущую силу (ЭДС). Выводы измерительной катушки L₃ подключаются через включённое последовательно сопротивление R₁ величиной 10 кОм к ограничителю уровня сигнала, который собран в данном случае на диодах Шоттки D₁ и D₂. Благодаря активному характеру последовательной цепи L₃D₁D₂R₁, индуцированная ЭДС в катушке L₃ и ток, протекающий по данной цепи, синфазны и, следовательно, напряжение на диодном ограничителе D₁D₂ синфазно с напряжением на катушке L₃. Таким образом, сдвиг фазы ϕ между сигналом напряжения инвертора и сигналом тока I индуктора L₁ равен сдвигу фазы между сигналом напряжения инвертора и напряжением на диодном ограничителе D₁D₂ (полезный сигнал U_ток). Амплитуда полезного сигнала ограничивается сверху и снизу в соответствии с величиной падения напряжения равной 0.7 В на диодах Шоттки.

На фигуре 2 показана фазово-частотная характеристика сигнала тока I цепи индуктора L₁ (полезного сигнала U_ток), демонстрирующая изменение сдвига фазы ϕ при отклонении резонансной частоты f_н от рабочей f_р по мере изменения температуры изделия (трубки в данном примере) в рабочем диапазоне температуры, который ограничен температурой Кюри материала трубки, т.е. примерно 900 °С. Температура Т₂, при которой резонансная частота f_н равна рабочей f_p примерно равна 450 °С. Тогда для всего рабочего диапазона температур трубки интервал частот, в котором осуществляется регистрация изменений сдвига фазы ϕ (где ϕ изменяется практически линейно) составляет ±3500 Гц, а линейный участок ФЧХ лежит в диапазоне от -30° до +30°. Изменение индуктивности в процессе нагрева трубки от комнатной температуры примерно равной 20 °С до температуры Кюри составляет примерно 0.2 мкГн, т.е. от 7.8 до 8 мкГн.

Измерительная цепь также включает в себя операционный усилитель, выход которого подключен к АЦП микроконтроллера, и задающие резисторы. Схема измерительной цепи и инвертора напряжения представлена на фиг. 3.

В данном примере делитель напряжения R₄R₃, формирующий отрицательную обратную связь, обеспечивает коэффициент усиления схемы на операционном усилителе в 200, т.е. отношение R₄ к R₃ равно двумстам (аналогично R₅ к R₂). Номиналы резисторов делителя напряжения R₆ и R₇ составляют по 50 кОм. Тогда делители напряжения R₅R₂ и R₆R₇ обеспечивают постоянное напряжение смещения на прямом входе операционного усилителя. Питание операционного усилителя V1 составляет 3.3 В и поступает с платы микроконтроллера. Подобная схема измерительной цепи обеспечивает значительное усиление и смещение полезного сигнала U_ток в положительную область для измерения при помощи АЦП микроконтроллера. Измерительная цепь позволяет регистрировать изменения полезного сигнала на входе операционного усилителя в диапазоне от -0.00825 до 0.00825 В. Питание V0 инвертора напряжения составляет 24 В.

Полезный сигнал U_ток подвергается аналого-цифровому преобразованию, при этом моменты активации АЦП синхронизируются с управляющими сигналами Q₁ и Q₂ верхних транзисторов (моментами коммутации транзисторов) инвертора напряжения с помощью общего синхрогенератора согласно схеме на фиг. 1.

Синхронизация генератора управляющих сигналов для транзисторов и АЦП происходит внутри микроконтроллера, частями которого они являются, и работа которого осуществляется с помощью одного высокоточного генератора электромагнитных колебаний с фиксированной частотой на основе кварцевого резонатора (общий синхрогенератор). Разрядность АЦП в данном примере составляет 12 бит, а тактовая частота процессора микроконтроллера 72 МГц. Диапазону полезного сигнала, смещённого в положительную область, от 0 до 0.0165 В на входе операционного усилителя и от 0 до 3.3 В на его выходе, соответствуют 4096 уровней квантования.

В данном примере каждый период тока I цепи индуктора (f_p=115 кГц) определяется середина О между фронтами прямых управляющих сигналов Q₁ и Q₂, после чего производится измерение полезного сигнала посредством АЦП поочередно со сдвигом n влево (измерение a) относительно середины О и со сдвигом n вправо (измерение b), что показано на фигуре 4. После чего из полученной пары значений a и b вычитается половина максимальной амплитуды полезного сигнала (2048), т.е. происходит устранение постоянной составляющей сигнала. В том случае если осуществлялась работа на резонансной частоте f_н, пара измеренных значений полезного сигнала до пересечения нуля (измерение а в момент О-n) и после пересечения нуля (измерение b в момент О+n) равны по модулю и противоположны по знаку. Тогда сумма двух этих измерений равна нулю, что соответствует нулевому сдвигу фазы ϕ между сигналом тока I цепи индуктора L₁ и сигналом напряжения инвертора.

Сумма двух измеренных значений сигнала отличная от нуля будет соответствовать величине отклонения момента перехода полезным сигналом U_ток через ноль от середины О между фронтами сигналов Q₁ и Q₂, а следовательно, сдвигу фазы ϕ между сигналом тока I цепи индуктора L₁ и сигналом напряжения инвертора. Абсолютные значения полученной суммы пары измерений характеризуют амплитуду полезного сигнала и тока I цепи индуктора L₁, а следовательно, потребляемую индуктором мощность. Таким образом, будет получена информация об изменении фазовых и амплитудных характеристик тока I цепи индуктора L₁ в зависимости от температуры трубки и потребляемой индуктором мощности так, что устанавливается зависимость температуры изделия от фазовых и амплитудных характеристик тока цепи индуктора.

Затраты времени на измерение составляют 10 мкс для разрешения преобразования АЦП 12 бит, что соответствует температурному разрешению в 8 °С.

Результаты экспериментов демонстрируют точность измерения температуры трубки массой 1.1 г разработанным методом ±5 °С непосредственно в процессе её нагрева токами высокой частоты. Калибровка температурных показаний, полученных при помощи разработанного метода, производилась в ходе нескольких последовательных экспериментов с помощью контрольного оборудования, состоящего из двухканального измерителя температуры с термопарами К и J типа. Поверка результатов измерения осуществлялась при помощи эталонного измерителя на платиновых резисторах.

Таблица 1 - Значения параметра Ω для различной температуры трубки Т и потребляемой индуктором мощности
T, °С	Потребляемая индуктором мощность, %
0.2	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
20	17,874	17,589	15,887	14,351	14,746	14,185	13,377	14,019	13,257	13,823	13,309
30	24,475	23,999	22,509	20,713	19,793	18,506	17,475	16,446	15,422	14,420	14,808
40	33,213	31,777	28,665	26,731	24,451	23,919	22,324	21,672	19,811	18,541	16,842
50	41,519	38,714	36,355	33,417	31,655	28,893	26,908	24,230	22,851	22,229	20,721
60	48,196	44,652	40,261	37,047	35,130	32,906	31,361	29,171	27,658	25,475	23,210
70	56,963	51,975	48,665	45,716	42,823	39,409	36,632	33,066	30,388	27,566	24,931
80	65,132	59,383	54,221	50,777	47,112	42,989	40,636	37,850	34,648	32,830	31,189
90	73,829	67,640	61,580	56,230	50,625	45,829	41,346	37,230	34,614	31,919	30,638
100	80,390	72,853	66,201	61,282	56,774	52,465	47,655	44,835	41,745	38,008	35,666
110	89,941	82,904	75,061	67,778	61,187	55,423	50,190	45,613	42,582	38,680	36,564
120	96,171	87,965	79,936	73,614	68,055	63,241	58,340	53,186	49,036	45,325	42,255
130	104,181	94,335	85,990	78,916	72,021	66,337	60,231	55,868	51,462	47,165	42,617
140	110,123	100,959	91,907	83,937	76,282	69,166	62,542	58,024	53,279	48,172	45,221
150	116,871	106,569	96,747	87,248	79,558	72,552	67,231	61,887	55,879	51,920	47,294
160	125,010	114,309	103,626	93,897	84,984	76,736	69,638	64,276	57,853	52,464	47,736
170	145,541	131,038	118,664	108,037	97,361	88,239	79,539	71,682	65,134	59,883	55,622
180	148,972	134,485	121,373	110,770	101,177	92,651	83,890	77,395	69,770	64,727	59,538
190	158,112	143,343	129,344	117,636	106,177	96,664	88,302	81,196	73,647	66,435	59,951
200	160,807	146,085	132,075	120,534	110,361	100,000	91,213	83,837	77,431	70,269	63,756
210	168,757	152,744	138,444	126,490	114,599	103,918	94,407	85,145	77,258	69,724	63,027
220	176,411	160,563	144,900	132,005	119,468	108,097	98,135	89,162	80,463	74,083	67,018
230	184,799	166,671	151,890	138,409	126,226	114,705	104,774	94,628	86,326	77,711	70,686
240	193,496	175,373	158,789	144,672	130,384	117,663	107,410	98,605	89,065	80,514	74,374
250	201,338	182,350	164,128	148,223	134,770	121,514	111,145	100,406	90,852	82,702	74,946
260	208,401	188,721	170,344	153,835	139,754	126,181	113,870	104,463	96,011	87,442	80,292
270	217,730	197,160	179,153	162,343	146,392	132,456	120,182	109,065	100,052	91,199	83,619
280	224,110	202,550	183,963	166,497	150,032	135,634	123,493	111,643	101,163	92,965	83,904
290	232,148	210,849	190,875	173,364	156,643	141,628	127,625	115,072	103,972	94,584	86,406
300	241,605	219,250	197,472	178,785	162,550	147,599	133,121	121,076	109,787	99,407	89,712
310	248,962	224,413	203,247	184,811	166,576	150,385	135,772	122,514	110,759	99,973	90,647
320	256,909	231,864	209,128	188,322	171,009	155,103	141,131	127,811	115,280	104,705	94,466
330	265,547	240,758	218,456	197,332	179,424	163,214	147,430	134,445	121,004	110,314	100,289
340	272,632	246,898	223,666	202,280	183,048	166,198	151,043	136,307	124,012	113,323	103,497
350	281,330	254,330	229,050	206,249	186,604	169,681	153,595	139,785	127,651	116,058	105,984
360	288,530	259,930	235,523	213,873	192,919	173,916	157,245	142,391	128,918	116,437	105,841
370	296,249	267,438	241,653	217,834	197,661	179,090	162,840	146,792	133,547	120,942	109,857
380	305,706	275,450	248,000	224,843	203,147	184,087	165,818	150,352	137,070	123,861	112,014
390	313,258	282,323	254,785	230,519	207,865	187,737	170,631	154,818	141,088	127,607	115,819
400	320,250	290,096	262,432	237,476	215,201	194,398	175,385	157,850	143,068	130,504	118,888
410	328,857	296,822	268,353	241,584	219,151	197,872	179,151	162,020	146,114	132,257	119,199
420	336,449	303,756	273,761	246,721	223,913	202,767	183,142	165,370	148,979	135,418	123,637
430	345,074	311,216	280,745	254,350	230,135	207,689	187,015	169,235	153,292	138,890	126,831
440	353,730	320,331	288,880	261,394	235,255	213,300	193,008	174,632	158,074	143,652	129,291
450	361,165	325,538	294,113	265,302	240,279	216,855	196,391	177,242	161,081	146,330	132,495
460	369,514	333,378	300,465	271,653	246,248	222,250	201,775	181,630	165,357	150,591	137,055
470	376,461	340,791	307,159	277,882	251,232	226,715	204,700	186,145	167,661	151,510	137,194
480	384,732	347,480	313,962	284,331	256,421	232,680	210,004	190,882	173,297	156,409	142,412
490	392,703	354,707	319,832	289,256	261,737	237,327	215,482	195,591	176,908	161,004	146,676
500	400,357	361,487	326,571	294,688	266,553	241,475	217,638	196,642	177,560	161,406	146,668
510	409,411	369,449	333,439	301,267	272,872	247,006	223,401	201,169	182,097	165,742	149,715
520	416,595	375,649	340,041	307,144	278,324	250,789	226,301	203,945	184,982	168,051	151,988
530	424,224	382,153	345,595	311,386	281,036	253,021	229,468	207,453	188,038	170,424	153,973
540	432,870	390,156	351,865	317,853	286,669	258,269	233,674	210,790	190,105	172,489	155,999
550	441,791	398,340	360,245	324,474	292,720	264,762	240,148	217,226	196,795	178,788	162,460
560	448,512	404,273	363,912	329,334	296,672	267,930	241,368	217,632	196,705	178,144	161,547
570	456,082	410,944	370,222	333,763	301,413	272,976	247,250	222,827	202,449	182,768	166,462
580	465,564	420,312	379,793	342,087	308,503	279,051	251,951	227,351	205,030	186,357	167,881
590	473,624	426,399	385,075	347,027	314,228	284,723	256,748	232,565	210,273	190,618	172,546
600	480,759	434,166	392,300	355,048	320,965	290,571	261,539	237,067	214,928	193,939	176,543
610	488,617	440,886	397,525	359,551	325,258	293,524	264,954	239,939	216,284	195,526	177,923
620	496,795	447,840	403,705	365,093	328,767	296,104	267,693	241,648	219,253	197,770	178,524
630	504,460	454,092	409,043	368,528	332,916	301,606	272,375	246,571	223,385	202,062	181,982
640	512,896	462,901	417,545	376,418	339,441	305,892	276,230	249,664	226,241	204,367	184,998
650	520,456	468,674	422,619	382,104	345,769	311,952	281,324	254,472	230,811	208,503	188,713
660	529,109	477,942	431,664	389,034	351,215	317,689	286,873	259,187	234,080	212,399	192,405
670	536,440	482,797	436,061	393,862	354,964	320,838	289,255	260,578	235,256	212,125	192,018
680	544,210	491,473	444,121	400,075	360,400	325,826	294,832	266,658	240,931	218,687	197,444
690	553,979	499,908	450,681	407,259	367,109	331,184	298,214	269,609	244,641	221,307	200,141
700	561,003	506,054	456,580	411,957	372,155	336,460	304,695	275,814	248,729	224,411	203,678
710	568,029	511,770	461,457	415,537	375,968	338,552	306,497	277,419	251,055	226,149	204,722
720	577,760	520,112	469,741	424,688	383,194	346,453	313,537	283,807	257,057	232,482	210,868
730	584,147	527,120	476,036	430,425	388,026	349,334	315,769	284,326	256,286	231,008	209,872
740	593,842	534,816	482,468	435,915	394,087	355,963	321,521	290,887	263,333	238,554	215,863
750	601,359	542,548	489,101	441,598	398,134	359,011	324,254	292,113	264,814	238,522	215,064

Способ косвенного вихретокового резонансного контроля и измерения температуры изделий из ферромагнитных материалов, включающий расположение изделий в переменном магнитном поле индуктора в составе резонансного колебательного контура, подключенного к выходу силового источника, отличающийся тем, что измерение осуществляется за счет совместного анализа фазовых и амплитудных характеристик тока цепи индуктора в процессе нагрева изделия токами заданной частоты, при этом подключение силового источника выполняется таким образом, чтобы на резонансной частоте при активном характере импеданса индуктора ток в цепи индуктора переходил через ноль в момент времени О, не совпадающий с моментами коммутации ключей силового источника, далее осуществляют измерение амплитуды сигнала тока цепи индуктора, а также его фазового сдвига относительно сигнала напряжения силового источника с помощью гальванически развязанного датчика тока цепи индуктора, для чего полезный сигнал с этого датчика подвергают аналого-цифровому преобразованию, и проводят пару последовательных измерений с временным сдвигом до и после момента О, при этом моменты аналого-цифрового преобразования синхронизируют с моментами переключения ключей силового источника, далее с помощью линейной интерполяции определяют величину фазового сдвига в момент О и амплитуду сигнала, после чего однократно устанавливают зависимость измеряемой температуры изделия от полученных величин фазового сдвига и амплитуды сигнала, которую используют для определения температуры изделия.