МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ И УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА Российский патент 1996 года по МПК G01P3/48 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах контроля параметров вращения и диагностики системы регулирования паровых турбин.

Известно устройство для контроля частоты вращения, содержащее асинхронную машину с короткозамкнутым ротором, двумя трехфазными обмотками, включенными последовательно (1).

Однако, данное устройство имеет недостаточную точность, ограниченные функциональные возможности и ненадежно в эксплуатации.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является датчик скорости, содержащий зубчатый ротор, статор, имеющий магнитопровод с выступами, на которых размещены обмотки. Варианты выполнения датчика отличаются размещением магнитов (2).

Основным недостатком такого датчика является недостаточная величина ЭДС в каждой обмотке из-за разделения общего магнитного потока между выступами. Это сужает функциональные возможности датчика, в частности, не позволяет использование его с аналоговыми вторичными приборами. Для решения такой задачи с известным датчиком необходимо использование усилителя в схеме измерения, что существенно снижает надежность и помехоустойчивость.

Увеличение выходного сигнала датчика частоты вращения и угла поворота вала возможно следующими путями:
1) увеличением магнитного потока, создаваемого постоянными магнитами;
2) уменьшением потоков рассеивания;
3) уменьшением сопротивления магнитной цепи.

Повышение магнитного потока за счет использования более "сильного" магнита является решением тривиальным. Техническое решение по п. 2 используется в прототипе. Наиболее эффективным решением является уменьшение сопротивления магнитной цепи. Это используется, в частности, в предлагаемом изобретении.

Увеличение магнитного потока достигается объединением нескольких магнитопроводов с обмотками и постоянными магнитами в общий магнитопровод. Это позволяет суммировать магнитные потоки от смежных магнитов и организовать путь магнитного потока между полюсами в основном через магнитопроводы, что уменьшает величину потоков рассеивания. Кроме того, часть магнитопроводов с обмотками могут быть использованы как резервные, что повышает надежность датчика. Повышение достоверности и точности измерений в области низких частот вращения вала может быть достигнуто за счет увеличения числа импульсов датчика, приходящихся на один оборот вала или на определенный угол поворота, а также за счет одновременного увеличения амплитуды выходного сигнала.

Цель изобретения повышение достоверности и точности измерения частоты вращения и угла поворота вала при номинальной частоте и в области низких частот вращения, расширение функциональных возможностей и повышения надежности и помехоустойчивости схемы измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом многоканальном датчике частоты вращения и угла поворота вала, содержащим зубчатый ротор, статор, состоящий из "n" автономных магнитопроводов с обмоткой и "m" постоянных магнитов, магнитопроводы с обмотками объединяются в общий магнитопровод путем размещения между нерабочими концами магнитопроводов "m" магнитов так, что в каждом магнитопроводе (кроме первого и "n") магнитные потоки суммируются.

Кроме того, с целью повышения достоверности и точности измерений в области низких частот вращения каждые три смежные из "n" магнитопроводов конструктивно объединяются в группы так, чтобы при точном совпадении торцевой плоскости среднего магнитопровода с наpужной поверхностью зуба ротора торцевая плоскость предшествующего магнитопровода была смещена относительно наружной поверхности соответствующего зуба ротора на угол "-Φ",, а торцевая плоскость последующего магнитопровода относительно поверхности своего зуба на угол "+Φ"..

Кроме того, с целью повышения точности измерений угла поворота вала при номинальной частоте вращения и повышения достоверности и точности измерений в области низких частот вращения обмотки всех "n" магнитопроводов средней, предшествующей и последующей групп выполняются так, чтобы обеспечить возможность параллельного или последовательного соединения соответствующих обмоток между группами.

На фиг. 1 показан многоканальный датчик частоты вращения и угла поворота вала (эскиз).

Датчик содержит изготовленный из ферромагнитного материала и соединенный с контролируемым валом зубчатый ротор 1 с выступами 2 и статор, являющийся собственно чувствительным элементом датчика, закрепленный на каком-либо неподвижном кронштейне (не показан).

Статор содержит "n" радиально расположенных магнитопроводов 3, поперечное сечение каждого из которых соответствует конфигурации и сечению выступа 2. На каждом из магнитопроводов закреплена катушка 4 с обмоткой 5. На нерабочих концах каждого магнитопровода устанавливаются кольцевые магниты 6, поляризованные в осевом направлении, при этом они располагаются так, что в каждом магнитопроводе (кроме первого и последнего) магнитные потоки суммируются. Магнитопроводы размещаются в общем корпусе 7 и закрепляются так, чтобы обеспечить определенное положение каждой группы, состоящей из трех магнитопроводов (среднего, предшествующего и последующего) относительно выступов 2 ротора. Это положение такого: когда торцевая поверхность среднего в группе магнитопровода совпадает точно с торцевой поверхностью выступа, торцевая поверхность предшествующего магнитопровода смещена относительно оси соответствующего выступа на угол "-Φ",, а последующего на угол "+Φ"..

Многоканальный датчик частоты вращения и угла поворота вала работает следующим образом:
Магнитные потоки, создаваемые постоянными магнитами 6, проходят по цепи: магнитопровод "n" воздушный зазор между рабочим концом магнитопровода "n" и выступом 2 ротора 1 выступы 2 против магнитопроводов "n-1" и "n-1" - воздушные зазоры между выступами 2 и рабочими концами магнитопроводов "n-1" и "n-1" магнитопроводы "n-1" и "n-1". Такой путь магнитного потока существенно снижает потоки рассеивания.

Магнитное сопротивление этой цепи от величины воздушного зазора между рабочими концами магнитопроводов "n", "n-1" и"n-1" и ротора 1, которое изменяется в зависимости от того находится ли напротив рабочих концов магнитопроводов "n", "n-1" и "n-1" и ротором 1 выступы 2 или впадины.

При вращении контролиpуемого вала и соединенного с ним зубчатого ротора 1 периодическое изменение воздушного зазора между рабочими концами магнитопроводов "n", "n-1" и "n-1" и ротором 1 и связанное с этим изменение полного магнитного сопротивления пропорциональные изменения магнитного потока, который в каждой обмотке 5 датчика наводит ЭДС в "n-1" и "n-1" обмотках сдвинуты по фазе на угол "-Φ" и "+Φ" соответственно.

Многоканальный датчик частоты вращения и угла поворота вала работает в следующих режимах:
1) режим измерения частоты вращения вала в области номинальных частот (режим 1).

2) режим измерения частоты вращения при малых частотах вращения (режим 2).

3) режим измерения угла поворота вала при номинальной частоте вращения вала (режим 3).

При работе в режиме 1 обмотки катушек первой группы непосредственно соединены с входами аналоговых и частотных вторичных приборов. Обмотки всех остальных групп находятся в разомкнутом состоянии. При отказе какой-либо из обмоток первой группы имеется возможность подключить соответствующую обмотку второй группы и т.д.

При снижении частоты вращения вала номинальной на 90% и более, существенно снижается амплитуда выходного сигнала и возрастает период, что не обеспечивает требуемую достоверность измерений. Для увеличения амплитуды выходного сигнала все соответствующие обмотки групп можно включить последовательно. На выходе каждой из групп амплитуда (напряжение) выходного сигнала увеличивается в "n" раз.

При необходимости может быть увеличена также и частота выходного сигнала. Для этого необходимо обеспечить одновременно параллельное включение соответствующих обмоток всех групп. Поскольку фаза выходного сигнала каждой из обмоток внутри группы сдвинута на угол "Φ",, то к прибору будет поступать сигнал утроенной частоты.

При измерении угла поворота вала (режим 3), в частности при номинальной частоте вращения (крутильные колебания) для повышения разрешающей способности датчика необходимо увеличить частоту сигнала. Это может быть достигнуто за счет параллельно включения двух или трех катушек, находящихся в работе.

Использование: в измерительной технике в устройствах контроля параметров вращения и диагностирования системы регулирования паровых, гидравлических и газовых турбин. Изобретение направлено на повышение достоверности и точности измерения частоты вращения и угла поворота вала, расширения функциональных возможностей за счет увеличения уровня выходного сигнала при номинальной частоте вращения и за счет увеличения и повышения частоты выходного сигнала при малых частотах вращения, а также увеличения разрешающей способности при измерении угла поворот, а вала на номинальной частоте вращения и повышения надежности за счет обеспечения резерва. Сущность изобретения: в датчике частоты вращения и угла поворота вала, содержащей зубчатый ротор, статор, состоящий из магнитопровода с обмоткой и постоянного магнита, статор дополнительно снабжается "n" магнитопроводами с автономными обмотками и "m" постоянными магнитами, объединенными в общий магнитопровод, при этом магниты размещаются между нерабочими концами магнитопроводов, а полюсы магнитов соориентированы так, что в каждом магнитопроводе, кроме первого и "n"-го, магнитные потоки суммируются, что обеспечивает повышение уровня выходного сигнала. Кроме того, повышение частоты выходного сигнала при малых частотах вращения вала достигается тем, что каждые три смежных из "n" магнитопроводов объединяются в группы, при этом при совпадении торцевой плоскости среднего магнитопровода с торцевой поверхностью зуба ротора торцевая плоскость предыдущего магнитопровода смещена относительно наружной поверхности соответствующего зуба ротора на угол "-фи", а торцевая плоскость последующего магнитопровода относительно поверхности соответствующего зуба - на угол "+фи". Кроме того, повышение уровня и частоты выходного сигнала при малых частотах вращения вала достигается тем, что осуществляется последовательное и/или параллельное соединение между собой обмоток "n" магнитопроводов. 1 ил.

Многоканальный датчик частоты вращения и угла поворота вала, содержащий зубчатый ротор, статор, состоящий из магнитопровода с обмотками и постоянного магнита, отличающийся тем, что статор дополнительно снабжен n магнитопроводами с автономными обмотками и m постоянными магнитами, объединенными в общей магнитопровод, при этом магниты размещаются между нерабочими концами магнитопроводов, а ориентация полюсов магнитов соответствует условию обеспечения суммирования магнитных потоков в каждом магнитопроводе, кроме первого и n-го, каждые три смежные из n магнитопроводов объединены в группы, причем при совпадении торцевой плоскости среднего магнитопровода с торцевой поверхностью зуба ротора торцевая плоскость предыдущего магнитопровода смещена относительно наружной поверхности соответствующего зуба ротора на угол -Φ, а торцевая поверхность последующего магнитопровода относительно поверхности соответствующего зуба на угол +Φ, при этом соответствующие обмотки между группами соединены параллельно и (или) последовательно.