ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 1999 года по МПК G01H11/02 G01B7/00 

Изобретение относится к технике измерения вибраций и может быть использовано для измерения линейных перемещений и вибраций вращающихся роторов и валов различных агрегатов в энергомашиностроении и энергетике, включая генераторы, паровые и газовые турбины, турбокомпрессоры, насосы, моторы и др. , а также для измерения линейных перемещений и вибраций колеблющихся тел (например, различных мембран).

Известен ряд преобразователей линейных перемещений (ПЛП), выпускаемых промышленностью отдельно или совместно с измерительными или регистрирующими приборами (системами). К числу известных ПЛП относятся рассмотренные в работах [1-4] . Принципиальным недостатком этих устройств является узкий диапазон преобразуемых перемещений. Так в работе [1] типичный линейный участок кривой U=f(d) [U - выходное напряжение ПЛП в вольтах, d - ширина зазора между объектом и датчиком ПЛП в мм] ограничен значением d = 0,25 - 2,1 мм (см. в [1] рис. 2с на стр. 8 и рис. 7 на стр. 21). Такое же или почти такое же допускаемое значение d типично и для ПЛП в работах [2-4]. Другим принципиальным недостатком аналогов [1-4] является низкая точность преобразования, т.е. нелинейность кривой U=f(d). Так в работе [1] она вообще не оговорена, а в работах [2, 3] она составляет ± 5%. Некоторые из упомянутых аналогов громоздки и энергоемки [3, 4]. Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого устройства является ПЛП, рассмотренный в работе [5]. Он, как и заявляемый ПЛП, является самостоятельным прибором, имеет наиболее близкую структуру и минимальные массо-габаритные характеристики (его наименование "ПЛП-03").

ПЛП [5] содержит (фиг. 1) индукционный датчик 1 (ИД), отрезок коаксиального кабеля 2, генератор 3 с емкостной обратной связью (Г), детектор 4 (Д), выходной нормализующий усилитель 5 (ВНУ), токозадающий резистор 6, узел 7 буферного усилителя (УБУ), первый и второй резисторы 8 и 10 УБУ, операционный усилитель 9 УБУ.

Однако, как и аналоги [1-4], ПЛП [5] имеет ограниченный диапазон преобразуемых перемещений (d = 0,5 - 2,1 мм) и достаточно низкую точность преобразования (±5%). Помимо того, что не менее важно, выбранная в нем конфигурация катушки индуктивности индукционного датчика не позволяет вести однорядную намотку катушки. Поэтому намотка ведется "внавал", что еще более искажает линейность характеристики преобразования, причем эти искажения различны для разных экземпляров катушек.

На фиг. 2 показана конструкция индукционного датчика и указаны основные размеры (a, b, c). На фиг. 2: 1 - диэлектрический каркас, 2 - катушка индуктивности.

Цель настоящего изобретения - расширение диапазона преобразуемых перемещений при одновременном повышении точности преобразования.

Заявляемый преобразователь линейных перемещений содержит индукционный датчик, соединенный своим выходом через отрезок коаксиального кабеля с первым входом LC-генератора, выполненного по схеме с емкостной обратной связью, выход которого соединен через детектор с первым входом выходного нормализующего усилителя, включающего узел буферного усилителя, первый выход выходного нормализующего усилителя является выходом преобразователя линейных перемещений, один из концов катушки индуктивности индукционного датчика, экран отрезка коаксиального кабеля и общая шина в каждом блоке заземлены.

Поставленная цель достигается тем, что в LC-генератор введен следящий токозадающий узел, в узел буферного усилителя выходного нормализующего усилителя введен согласующий каскад, включающий p-n-p транзистор и два резистора, а конфигурация каркаса катушки индуктивности в конструкции индукционного датчика выбрана таким образом, чтобы обеспечивала однорядную намотку катушки индуктивности, при этом второй выход генератора соединен в следящем токозадающем узле с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом проволочного потенциометра, шунтированного первым резистором, подвижный контакт потенциометра соединен с первым выводом четвертого резиста и коллектором первого n-p-n транзистора, соединенного своим эмиттером с коллектором и базой второго n-p-n транзистора, база первого n-p-n транзистора соединена с вторым выводом четвертого резистора и первым выводом первого терморезистора, второй вывод которого связан с первым выводом второго терморезистора и через пятый резистор заземлен, второй вывод проволочного потенциометра соединен с первым выводом третьего резистора, эмиттер второго n-p-n транзистора соединен с первым выводом третьего резистора, вторым выводом второго терморезистора, является выходом следящего токозадающего узла и подключен к второму входу LC-генератора, второй выход выходного нормализующего усилителя соединен в узле буферного усилителя с неинвертирующим входом операционного усилителя, а третий выход - с инвертирующим входом операционного усилителя и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером p-n-p транзистора и через третий резистор заземлен, выход операционного усилителя через второй резистор связан с базой упомянутого транзистора, коллектор которого через четвертый резистор подключен к источнику напряжения питания, эмиттер p-n-p транзистора является выходом узла буферного усилителя и подключен к второму входу выходного нормализующего усилителя.

Сравнение заявляемого устройства и прототипа показывает, что заявляемое устройство отличается от прототипа наличием принципиально нового узла - следящего токозадающего узла, измененной схемой узла буферного усилителя и новой конфигурацией диэлектрического каркаса катушки индуктивного датчика. В связи с этим заявляемое устройство соответствует критерию "НОВИЗНА".

Вновь введенная совокупность признаков существенна, т.к. позволила существенно расширить диапазон преобразующих перемещений (с d = 0,5 - 2,1 мм до d = 0 - 5 мм), с одной стороны, и снизить погрешность преобразования (с ±5% до ±2%), с другой. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "СУЩЕСТВЕННЫЕ ОТЛИЧИЯ".

Заявляемое техническое решение соответствует критерию "ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ", т.к. оно для специалистов явным образом не следует из современного уровня техники измерения вибраций.

Заявленное техническое решение "ПРОМЫШЛЕННО ПРИМЕНИМО", т.к. оно рассчитано на широкое использование в энергомашиностроении и энергетике, а изготовление ПЛП будет осуществляться только на элементной базе, освоенной российской промышленностью.

На фиг. 3 приведена структурная схема заявляемого ПЛП и приняты следующие обозначения:
1 - индукционный датчик (ИД),
2 - отрезок коаксиального кабеля,
3 - LC-генератор по схеме с емкостной обратной связью (Г),
4 - детектор (Д),
5 - выходной нормализующий усилитель (ВНУ),
6 - следящий токозадающий узел (СТУ),
7 - первый резистор СТУ,
8 - второй резистор СТУ,
9 - проволочный потенциометр СТУ,
10 - третий резистор СТУ,
11 - четвертый резистор СТУ,
12 - первый n-p-n транзистор СТУ,
13 - второй n-p-n транзистор СТУ,
14 - первый терморезистор СТУ,
15 - пятый резистор СТУ,
16 - второй терморезистор СТУ,
17 - узел буферного усилителя (УБУ),
18 - первый резистор УБУ,
19 - операционный усилитель УБУ,
20 - второй резистор УБУ,
21 - третий резистор УБУ,
22 - p-n-p транзистор УБУ,
23 - четвертый резистор УБУ,
E_п - напряжение источника питания.

На фиг. 4 показана конструкция индукционного датчика заявляемого ПЛП и указаны основные размеры (a,b,c). На фиг. 4: 1 - диэлектрический каркас, 2 - катушка индуктивности.

Сопоставляя индукционные датчики прототипа (фиг. 2) и заявляемого устройства (фиг. 4), легко видеть, что в индукционном датчике заявляемого устройства изменение соотношения размеров "a", "b" и "c" диэлектрического каркаса позволило осуществить однорядную намотку (вместо намотки "внавал") катушки индуктивности, что в сочетании со схемными изменениями ПЛП позволило решить поставленную задачу (см. цель изобретения).

Рассмотрим практическую реализацию заявляемого устройства (фиг. 3, фиг. 4).

Индукционный датчик 1.

Индукционный датчик выполнен в виде диэлектрического каркаса 1, изготовленного из материала ДСВ путем термопрессования, на котором выполнена однорядная намотка катушки 2 индуктивности, содержащая 23 витка высокотемпературного провода марки ПЭТр-155 (ТУ 16-705.048-78) диаметром 0,071 мм (фиг. 4).

Отрезок коаксиального кабеля 2.

Отрезок коаксиального кабеля выбран длиной 4,85±0,05 м. Тип кабеля - РК-75-2-22 (ГОСТ 11326.77-79).

LC-генератор 3 и СТУ 6.

Основу LC-генератора составляет трехточечная схема с емкостной обратной связью (схема Колпитца) с включением транзистора с общей базой (см. рис. 18.9 на стр. 297 [6]). Однако токозадающий резистор R1 в упомянутой схеме [6] заменен в нашем случае следящим токозадающим узлом (СТУ). Полная схема LC-генератора 3, используемого в заявляемом устройстве, приведена на фиг. 5. Здесь СК - схема Колпитца (см. рис. 18.9 [6]) и СТУ - следящий токозадающий узел. Между СК и СТУ включен дроссель L1 типа ДМ-0,1 500 мкГн, что уменьшает шунтирование индуктивности контура LC-генератора внутренним сопротивлением источника напряжения питания. Индуктивность L контура генератора состоит из двух параллельно включенных индуктивностей. Первая из них образована катушкой индуктивности индукционного датчика ПЛП (данные ее намотки приведены выше), а вторая из них - это индуктивность величиной 30 мкГн, включенная в контур генератора через конденсатор емкостью 0,1 мкФ. В схеме Колпитца использован транзистор типа КТ3102БМ. Емкость конденсатора Ca в СК (см. рис. 18.9 [6]) составляет 470 пФ, а конденсатора Cb (там же) - 33 пФ. Для уменьшения в условиях производства влияния разброса емкостей переходов база-коллектор и коллектор-эмиттер в различных экземплярах транзистора параллельно этим переходам транзистора подключены конденсаторы емкостью 6,8 пФ. Все четыре перечисленных конденсатора (Ca, Cb и подключаемые к переходам транзистора) - типа К10-17-25.

Т.к. в нашем случае напряжение питания СК подается не от двух источников (как на рис. 18.9 [6]), а также от одного источника E_п, напряжение на базу транзистора в СК подается от термокомпенсированного делителя напряжения (см. фиг. 5), выполненного на резисторах R1 (442 Ом), R2 (18,7 кОм), R4 (3,6 кОм), R5 (1,87 кОм), R7 (549 Ом), R8 (1,0 кОм), терморезисторах R3 (1,0 кОм) и R6 (1,0 кОм) типа СТ1-17 и конденсаторе C1 (0,01 мкФ) типа К10-17-2б.

Следящий токозадающий узел (см. фиг. 3) выполнен на следующих элементах: 7, 8, 10, 11, 15 - резисторы сопротивлением соответственно - 220 Ом; 240 Ом; 510 Ом; 9,1 кОм; 130 кОм; 9 - проволочный потенциометр типа СП5-2ВБ сопротивлением 150 Ом; 12 и 13 - n-p-n транзисторы типа КТ315Б; 14 и 16 - терморезисторы типа ММТ-1 сопротивлением соответственно 100 кОм и 11 кОм.

Детектор 4.

Схема детектора изображена на фиг. 6. Она выполнена на диоде VD1 типа КД510А, конденсаторах C1 и C2 типа К10-17-2б емкостью соответственно 47 пФ и 100 пФ и дросселе L1 с индуктивностью 1,5 мкГн.

Выходной нормализующий усилитель 5 и УБУ 17.

Выходной нормализующий усилитель с узлом буферного усилителя реализован по схеме фиг. 7. Непосредственно усилитель У выполнен по схеме с общим эмиттером и отрицательной обратной связью по току (см. рис. 4.12 на стр. 32 [6] ). Единственным отличием в нашем случае является смена полярности источника напряжения питания, а следовательно, и проводимости транзистора (вместо n-p-n транзистора использован p-n-p транзистор типа КТ3107Б). Сопротивление резистора R_Е равно 10 кОм ± 1%. Сопротивление резистора R_с разбито на две части. Одна часть - в виде резистора 1,15 кОм расположена внутри У, а вторая - вынесена и выполнена в виде переменного сопротивления R2 типа СП5-2ВБ величиной 470 Ом (см. фиг. 7). В нашем случае R2 обеспечивает установку требуемой крутизны кривой преобразования U=f(d). На фиг. 7 резисторы R1, R3, R4 и R5 имеют сопротивления, соответственно равные 470 кОм; 75 кОм; 649 кОм и 91 кОм. R6 - переменный проволочный рзеистор типа СП5-2ВБ сопротивлением 22 кОм. Последний используется для установки начала кривой преобразования U= f(d) в нуль.

Узел буферного усилителя (см. фиг. 3) выполнен на следующих элементах: 18, 20, 21, 23 - резисторы сопротивлением соответственно 604 кОм; 2,7 кОм; 2,7 кОм; 620 Ом; 19 - операционный усилитель типа К14УД6Б; 22 - p-n-p транзистор типа КТ3107Б.

Заявляемый преобразователь линейных перемещений работает следующим образом (фиг. 3).

Индуктивность катушки индуктивности датчика 1 является чувствительным элементом генератора 3. При работе последнего вокруг катушки индуктивности датчика 1 возникает переменное магнитное поле. В исследуемом (испытуемом) объекте из проводящего материала, расположенном в магнитном поле катушки индуктивности датчика 1, индуктируются вихревые токи, создающие свое магнитное поле, противодействующее магнитному полю упомянутой катушки индуктивности. Влияние противодействующего поля (в пределах заданного в технических характеристиках зазора) приводит к изменению амплитуды ВЧ-сигнала генератора 3, которое пропорционально изменению величины зазора.

С увеличением зазора увеличивается амплитуда синусоидальных колебаний на выходе генератора 3, что, в свою очередь, вызывает увеличение тока, протекающего через генератор. Т.к. этот ток протекает в устройстве-прототипе через токозадающий резистор 6 (см. фиг. 1), то с увеличением тока увеличивается падение напряжения на резисторе 6, из-за чего снижается напряжение, питающее генератор, что приводит к снижению амплитуды ВЧ-колебаний генератора 3 и, как следствие, к завалу кривой преобразования U-f(d).

С учетом изменения тока в генераторе на 1,5 мА (от 2 до 3,5 мА) и сопротивления резистора 6, равного 1 кОм, снижение напряжения, питающего генератор, составит 10,5 В. А при коэффициенте преобразования ПЛП К_пр, равном 3 В/мм, потеря диапазона измерений составит 0,5 мм. Т.е. при больших зазорах (3-5 мм) точное преобразование невозможно, почему в прототипе допустимый зазор имеет ограниченные пределы (0,5-2,1 мм). Этот принципиальный недостаток прототипа устранен в заявляемом устройстве путем введения следящего токозадающего узла (СТУ) 6 (фиг. 3) вместо резистора 6 (фиг. 1).

СТУ позволяет расширить диапазон измерений зазора, в котором возможно преобразование U=f(d) с высокой точностью, благодаря уменьшению внутреннего сопротивления СТУ обратнопропорционально увеличению тока, протекающего через СТУ, что обеспечивает автоматическую линеаризацию верхнего участка кривой преобразования U=f(d).

На резисторах 7, 8, 10 и проволочном потенциометре 9 СТУ выполнен резистивный делитель напряжения. С подвижного контакта потенциометра 9 относительно второго вывода резистора 10 снимается управляющее напряжение.

Транзисторы 12, 13 и резистор 11 составляют т.н. "электронное сопротивление", управляемое напряжением, снимаемым с подвижного контакта потенциометра 9. При этом транзистор 12 - регулирующий элемент, а транзистор 13 в диодном включении обеспечивает логарифмический характер характеристики изменения внутреннего сопротивления СТУ. Т.к. с изменением температуры окружающей среды изменяются сопротивления переходов n-p-n транзисторов 12 и 13, применена схема термокомпенсации "электронного сопротивления". Она построена на терморезисторах 14 и 16 и резисторе 15. Управляющее напряжение U_упр с подвижного контакта потенциометра 9 через резистор 11 попадает на базу транзистора 12. Если напряжение U_упр не превышает сумму U_Σ напряжений смещения n-p перехода транзистора 13 и открывания транзистора 12, то величина внутреннего сопротивления СТУ остается без изменения. Равенству напряжений U_упр и U_Σ соответствует точка начала завала кривой преобразования U=f(d).

При дальнейшем увеличении U_упр происходит открывание транзистора 12, что приводит к уменьшению внутреннего сопротивления СТУ, увеличению напряжения питания генератора 3 и увеличению амплитуды выходных колебаний генератора. Таким образом осуществляется линеаризация кривой преобразования U=f(d) ПЛП при больших зазорах.

С первого выхода генератора 3 ВЧ-сигнал поступает на детектор 4, где выделяется его огибающая, каждая точка которой соответствует мгновенному значению зазора. Постоянная времени детектора τ = 0,1 мкс, что обеспечивает неискаженную передачу огибающей ВЧ-сигнала с частотами до 10 кГц. Выходной сигнал детектора 4 поступает в усилитель 5, где осуществляется нормализация параметров ПЛП. При этом обеспечивается возможность изменения чувствительности ПЛП, т.е. наклона кривой U=f(d), и возможность установки в нуль этой кривой. Как уже отмечалось, для этих целей используют соответствующие переменные сопротивления в выходном нормализующем усилителе 5. Выходной каскад в операционном усилителе 19 УБУ входит в режим насыщения при выходных напряжениях менее 1 В. При конечном значении E_п (например, 18 В) диапазон измерений зазора в области малых значений недоиспользуется, что имеет место в прототипе (фиг. 1). Введение в УБУ согласующего каскада на элементах 20, 21, 23 позволяет практически снизить нижний порог с 1000 мВ до 35-40 мВ. Резистор 20 в УБУ ограничивает максимальный базовый ток эмиттерного повторителя (ЭП) на транзисторе 22. Резистор 21, являясь нагрузкой ЭП, определяет минимально-достижимое выходное напряжение, а резистор 23 ограничивает ток (не более 30 мА), протекающий через транзистор 22 при коротком замыкании выхода ПЛП. Таким образом, узел буферного усилителя 17 обеспечивает полное использование начального участка кривой U=f(d). При этом имеются в виду значения U ≤ 1 В.

Применение однорядной намотки катушки индуктивности датчика 1 (фиг. 3, фиг. 4) позволяет добиться повторяемости параметров различных экземпляров датчиков и улучшить линейность кривой U=f(d), т.к. при намотке "внавал", что имеет место в прототипе, витки катушки индуктивности расположены в разных плоскостях по отношению к объекту и друг к другу.

Технико-экономическая эффективность заявляемого устройства состоит в решении актуальных задач техники измерения вибраций - расширении диапазона преобразуемых перемещений и повышении точности преобразования. Тем самым расширяются функциональные возможности ПЛП, т.к. расширяется диапазон исследований испытуемых агрегатов и появляется возможность точного прогнозирования их работы в условиях широкого зазора и низкой погрешности измерений.

Источники информации
1. Инструкция к пользованию системой VIBRAX SYSTEM фирмы VIBRO-METER, Швейцария, 1983.

2. ИПП-01-2, ИПП-02.2. Измерительный преобразователь перемещений (Первичная аппаратура измерения вибраций вала). Проспект. ЦКТИ, Санкт-Петербург, 1997.

3. Контрольно-сигнальная аппаратура КСА-15. Техническое описание Иа 2.787.024 ТО. Минприбор СССР. Киев, 1987.

4. Комплекс приборов для контроля, сигнализации и защиты от предельных отклонений тепломеханических параметров энергетического оборудования. Проспект. Ростовское научно-производственное объединение "ЭЛЕКСИР". Ростов, 1993.

5. Преобразователь линейных перемещений ПЛП-03/2. Паспорт ПЛП 100.00 ПС. АОЗТ "ЭНЕРГОПРИБОР". Сант-Петербург, 1995.

6. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. "Мир". Москва, 1982.2

Изобретение относится к технике измерения вибраций и может быть использовано для измерения линейных перемещений и вибраций вращающихся роторов и валов различных агрегатов в машиностроении и энергетике, а также перемещений мембран. Преобразователь содержит индукционный датчик, соединенный с входом LC-генератора. Генератор выполнен по схеме с емкостной обратной связью. Выход генератора соединен через детектор с входом выходного нормализующего усилителя. В генератор введен следящий токозадающий узел, содержащий два n-р-n транзистора, проволочный потенциометр, два терморезистора и пять резисторов. Выходной нормализующий усилитель содержит буферный усилитель на операционном усилителе и р-n-р транзистором на выходе. Конфигурация каркаса катушки датчика выбрана таким образом, чтобы она обеспечивала однорядную намотку катушки индуктивности. Следящий токозадающий узел обеспечивает автоматическую линеаризацию верхнего участка кривой преобразования, буферный усилитель позволяет повысить чувствительность преобразователя, а однорядная намотка катушки датчика исключает разброс параметров датчиков в производстве и улучшает линейность кривой преобразования. 7 ил.

Преобразователь линейных перемещений, содержащий индукционный датчик, соединенный своим выходом через отрезок коаксиального кабеля с первым входом LC-генератора, выполненного по схеме с емкостной обратной связью, выход которого соединен через детектор с первым входом выходного нормализующего усилителя, включающего узел буферного усилителя, первый выход выходного нормализующего усилителя является выходом преобразователя линейных перемещений, один из концов катушки индуктивности индукционного датчика, экран отрезка коаксиального кабеля и общая шина в каждом блоке заземлены, отличающийся тем, что в LC-генератор введен следящий токозадающий узел, в узел буферного усилителя выходного нормализующего усилителя введен согласующий каскад, включающий p-n-p транзистор и два резистора, а конфигурация каркаса катушки индуктивности в конструкции индукционного датчика выбрана таким образом, чтобы обеспечивала однорядную намотку катушки индуктивности, при этом второй выход LC-генератора соединен в следящем токозадающем узле с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом проволочного потенциометра, шунтированного первым резистором, подвижный контакт потенциометра соединен с первым выводом четвертого резистора и коллектором первого n-p-n- транзистора, соединенного своим эмиттером с коллектором и базой второго n-p-n транзистора, база первого n-p-n транзистора соединена с вторым выводом четвертого резистора и первым выводом первого терморезистора, второй вывод которого связан с первым выводом второго терморезистора и через пятый резистор заземлен, второй вывод проволочного потенциометра соединен с первым выводом третьего резистора, эмиттер второго n-p-n транзистора соединен с вторым выводом третьего резистора, вторым выводом второго терморезистора, является выходом следящего токозадающего узла и подключен к второму входу LC-генератора, второй выход выходного нормализующего усилителя соединен в узле буферного усилителя с неинвертирующим входом операционного усилителя, а третий выход - с инвертирующим входом операционного усилителя и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером p-n-p транзистора и через третий резистор заземлен, выход операционного усилителя через второй резистор связан с базой упомянутого транзистора, коллектор которого через четвертый резистор подключен к источнику напряжения питания, эмиттер p-n-p транзистора является выходом узла буферного усилителя и подключен к второму входу выходного нормализующего усилителя.