Контроль ничтожно малой индуктивности. Опции

[Stepanich]

Здравствуйте.
Работаю над курсовой. Прошу совета.
Требуется реализовать систему контроля износа двигателя на основании регистрации металлической стружки, пролетающей в маслопроводе.
Предполагаю использовать катушку индуктивности (размером не более 2х20 мм), которая будет устанавливаться внутрь маслопровода). А регистрировать частицы (требуется чувствительность вплоть до единичной частицы) на основании изменении самой индуктивности (соответственно, её собственный номинал должен быть очень малым) за счёт пролёта через или около неё частиц.
Исходя из этого, подскажите, какой колебательный контур наиболее предпочтительней. Что лучше контролировать: частоту резонансного контура или амплитуду пилы, превращенную в меандр, после прохождения через катушку?
Или же существуют и другие способы?
Спасибо.

[Mike]

Насколько я знаю, наиболее чуствительны системы с 2 генераторами. Т.е.для первого генератора частотно задающим элементом является катушка помещённая в поток а второй генератор является опорным, сигналы с генераторов подаются на фазовый детектор, с выхода которого и получаем сигнал говорящий и малых (или больших) нзменениях в индуктивности катушки.

[BWZ]

подскажите, какой колебательный контур наиболее предпочтительней. Что лучше контролировать: частоту резонансного контура или амплитуду пилы, превращенную в меандр, после прохождения через катушку?
Или же существуют и другие способы?
Спасибо.

Если не нужно определять свойства металла и его размер, то самой чувствитетельной будет система из генератора и колебательного контура. Измеряется амплитуда колебаний, т.е. добротность контура.
Такой метод измерений самый чувствительный, но имеет ряд недостатков: сложно отстроиться от других рядом расположенных металлических предметов, нельзя определить магнитные свойства металла. Но для маленьких предметов типа металлической стружки другие методы могут оказаться неработоспособными.
Катушку лучше всего намотать вокруг маслопровода (неметаллического), чтобы частицы пролетали внутри намотки.

[vm1]

А может попробовать магнитофонную головку?
Щель головки должна хорошо ловить метал, а трубку
маслопровода можно сделать с плоским сечением.

[SSerge]

Или же существуют и другие способы?

Конечно!
Например датчик на основе диффиренциального трансформатора.
Три катушки L1, L2, L3, крайние смещены относительно центральной влево и вправо. На крайние (L1,L3) подаётся возбуждение в противофазе, с L2 снимается наведённая эдс.
Уровень возбуждения настраивается по нулевому сигналу в L2.
При отсутствии стружки эдс от L1 и L3 взаимно компенсируются, наличие стружки нарушает симметрию, на L2 появляется напряжение.

[bav]

Как было сказано выше, удобно мерить добротность контура. Но можно не по амплитуде, а по времени релаксации контура. На контур подается импульс, ждем и считаем время, пока амплитуда не уменьшится до опр. значения.
Такой метод очень чувствительный. Можно даже температуру мерить...

[BWZ]

При непрерывной генерации синусоиды обычно делают стабилизацию амплитуды генератора через НЧ-фильтр. Импульсным методом именно изменения параметров контура от температуры будут давать постоянную погрешность, которую сложно компенсировать.
Дифференциальный трансформатор идеально подходит для ферромагнетиков. Если стружка будет например от цветных металлов, он ее не заметит.

[Stepanich]

Уважаемый BWZ, к сожалению, я ограничен размерами чувствительного элемента: требование ТЗ моей курсовой – катушка не более 20х200мм. А дифф. транс., на сколько я понимаю, больше. Но если не сложно, расскажите, пожалуйста вкратце, что он из себя представляет (потому что регистрирование частиц разных материалов только приветствуется).
Спасибо.

[SSerge]

Дифференциальный трансформатор идеально подходит для ферромагнетиков. Если стружка будет например от цветных металлов, он ее не заметит.

Ещё как заметит! Всё дело в толщине скин-слоя на применяемой частоте возбуждения. Если частота низкая, а толщина скин-слоя много больше размеров стружки, действительно заметит только стружку из ферромагнетика. На высокой же частоте индуцированый ток течёт только по поверхности стружки, поле внутрь стружки не проникает (только на глубину порядка скин-слоя).
На 100кГц скин-слой 0.21мм, на 1МГц уже 65 микрон (для меди).
Т.е. объекты такого и больше размера можно при оценке эффекта считать как контур с током площадью равной площади сечения этого объекта и с током, таким, что созданое этим током поле полностью компенсирует (в плоскости контура) внешнее поле (от катушек возбуждения).
Поскольку предварительно вся система была настроена так, что эдс от катушек возбуждения в измерительной катушке полностью компенсируются, то про их поля в этот момент можно забыть, и считать что в измерительной катушке будет только наводка от того самого контура с током.

[bav]

Ага, на частоте 1 МГЦ уже и диэлектрическая проницаемость масла скажется.

[SSerge]

Ага, на частоте 1 МГЦ уже и диэлектрическая проницаемость масла скажется.

И диэлектрическая проницаемость и проводимость и наличие других проводящих примесей (например, капелек воды) конечно сказываются, но в силу симметрии конструкции не сами по себе, а только флуктуации этих величин в потоке масла. Ведь метод именно на том и построен, что ловит различие свойств среды по обе стороны от геометрического центра.
Кстати, на магнитном поле свет клином не сошёлся, подобные диф. датчики делаются и с использованием электрического поля, по различию освещённости двух фотоприёмников, всевоэможные мостовые схемы (например на тензорезисторах) используют тот-же принцип - измерять не абсолютное значение какой-либо величины а только её малое изменение, компенсируя постоянную часть тем-же воздействием, но с другим знаком.

А возбуждение переменным током позволяет применить синхронное детектирование сигнала рассогласования и тем самым улучшить отношение сигнал/шум.

[BWZ]

Я все-таки делал бы на измерении добротности одиночного контура. Дифф. трансформатор хорошо, когда металлический предмет большой. А здесь размер металла скорее всего будет меньше расстояния между катушками. И форма стружки и ее ориетация относительно катушек произвольная. А одиночному контуру все равно, а главное конструкция проще и настраивать не нужно. А насчет чувствительности - генератор на 2 транзисторах, диодный детектор и компаратор LM311 гарантированно срабатывают на латунный наконечник стержня шариковой ручки.

[SSerge]

Я все-таки делал бы на измерении добротности одиночного контура. Дифф. трансформатор хорошо, когда металлический предмет большой. А здесь размер металла скорее всего будет меньше расстояния между катушками. И форма стружки и ее ориетация относительно катушек произвольная. А одиночному контуру все равно, а главное конструкция проще и настраивать не нужно. А насчет чувствительности - генератор на 2 транзисторах, диодный детектор и компаратор LM311 гарантированно срабатывают на латунный наконечник стержня шариковой ручки.

А воздействие стружки на поле катушки в любом случае порядка отношения их объёмов, и от способа съёма сигнала не зависит, т.е. полезный сигнал уменьшается как куб с уменьшением линейных размеров стружки.
Вот только дифференциальный приёмник позволяет выиграть по крайней мере два порядка за счёт балансировки и автоматически компенсируются температурные изменения сопротивления и размеров катушек, медленные изменения проводимости и проницаемости масла.
А синхронное детектирование и характерная форма: нарастание сигнала -> спад до 0 при прохождении центра -> снова нарастание и снова спад, но уже с противоположной фазой позволяет довольно надёжно распознавать такой сигнал при очень малом отношении сигнал/шум. Но тут уж одним компаратором, конечно, не отделаешься.
Нет, я не спорю, более простые методы тоже работают до каких-то пределов вполне нормально, если их чувствительности хватает в данном случае, так не надо и огород городить, чем проще - тем надёжнее.

[Stepanich]

Всем большое спасибо за участие!

Дело в том, что в ТЗ курсовой есть ограничение на сам чувствительный элемент: 20х200 мм, и он должен быть в маслопроводе один. Схема обработки может держаться на маслопроводе, т.е. вплотную с самим датчиком.
Я намотал две катушки (каркас – кусок стрежня шариковой ручки): одна 50 витков, другая – 10. Собрал схему LC генератора с двумя транзисторами КТ3107. С первой катушкой генерация кое-как идёт, со второй же – генерации не происходит. Планирую заменить КТ3107 на СВЧ.
Стоит ли останавливаться на этом методе (если, конечно, схема с СВЧ запустится)?
Либо взять ёмкостную трёхточку, как в металлоискателе? Никак я не могу разобраться с номиналами конденсаторов на классической схеме. Если есть возможность, объясните, пожалуйста, какому принципу подчиняется соотношение ёмкостей и контрольной катушки (f=1/(2piLC – я знаю -;-) ).
Планирую экспериментировать на частотах свыше 1 Ггц (есть хороший Tektronix), ну а отлавливать изменения: если амплитуды, то ультрабыстрым компаратором (за ним поставлю одновибратор для захвата факта пролёта, и дальнейшей обработки…), если частоты – попробую схемой оцифровки синуса от Analog Devices, или же схемой регистрации рассогласования частот…
Спасибо!

[Dimitris]

Нуу, если свыше 1Ггц, тогда и базару нет - все намного проще. Берется синтезатор от мабилы и не надо формулы считать.