ВИХРЕТОКОВЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 2003 года по МПК G01B7/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля линейных перемещений валов роторных машин в энергетике, нефтегазовой промышленности и других областях.

Известен класс индуктивных датчиков, у которых перемещение объекта связано с изменением зазора между полюсами трансформатора (дросселя) или перемещением сердечника катушки, приводящим к изменению индуктивного параметра измерительной цепи.

Недостатками индуктивных датчиков являются нелинейность статической характеристики и ограниченный диапазон (несколько мм) измерений. Для расширения диапазона измерений и обеспечения линейности статической характеристики используют дифференциальную схему включения трансформаторных обмоток (см., например, "Справочник по радиоэлектронике", т.2 под редакцией А.А. Куликовского, из-во "Энергия", М., 1968 г., стр. 465, рис.19.10 д "Дифференциальный трансформаторный датчик" - аналог).

Устройство аналога содержит первичную обмотку и две вторичные обмотки, расположенные симметрично относительно первичной и включенные дифференциально таким образом, что на их выходе величина сигнала равна разности ЭДС каждой из них, которые возникают вследствие их взаимной индукции с первичной обмоткой. Дифференциальный трансформаторный датчик обеспечивает измерение знакопеременных перемещений относительно симметричной (нулевой) точки.

Недостатками аналога являются:
- неоднородность магнитного поля вдоль оси, особенно на концах первичной обмотки, приводящая к нелинейности характеристики;
- ограниченность диапазона измерений, порядка 0,3 совокупной длины обмоток,
- необходимость механического соединения якоря (сердечника) датчика с контролируемым объектом.

Для контроля перемещения вращающихся габаритных валов роторных машин нашли применение бесконтактные вихретоковые датчики перемещений. Такие датчики содержат обмотку возбуждения и две измерительные встречно включенные обмотки. Датчик устанавливается на станине с зазором относительно измерительного буртика вала ротора из магнитного материала. При смещении вала измерительный буртик перемещается в плоскости, параллельной обмоткам. Смещение буртика приводит к возмущению электромагнитного поля в области, охватываемой витками обмотки возбуждения, и появлению разностного сигнала во встречно включенных измерительных обмотках.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является "Измеритель линейных перемещений", патент РФ 2163350, кл. G 01 N, 27/90 - ближайший аналог.

Устройство ближайшего аналога состоит из прямоугольного корпуса, выполненного из немагнитного материала, внутри которого размещены прямоугольная обмотка возбуждения и две, в параллельной плоскости, прямоугольные встречно включенные измерительные обмотки, расположенные симметрично, по краям относительно обмотки возбуждения. Ширина измерительных обмоток равна ширине обмотки возбуждения, а длина равна ширине измерительного буртика. Длина обмотки возбуждения равна сумме длин измерительных обмоток и ширине измерительного буртика или три ширины измерительного буртика. Обмотка возбуждения подключена к выходу генератора возбуждения и ко входу фазовращателя, выход которого подключен ко входу фазового детектора, выход которого соединен с индикатором. Измерительные обмотки подключены ко входам дифференциального усилителя, выход которого подключен ко входу фазового детектора. Максимальное перемещение объекта, контролируемое этим датчиком, равно двойной ширине измерительного буртика.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести
- значительную нелинейность характеристики на краях диапазона, поскольку измерительный буртик поочередно взаимодействует с измерительными обмотками;
- зависимость диапазона измерений и линейности характеристики от ширины измерительного буртика.

Задачей данного изобретения является расширение диапазона измерений при сохранении высокой линейности характеристики преобразования.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в вихретоковом датчике перемещений, содержащем прямоугольный металлический корпус из немагнитного материала, установленный в нем индуктивный чувствительный элемент из двух симметричных измерительных обмоток, включенных дифференциально, и обмотки возбуждения, измерительные обмотки выполнены в виде прямоугольных треугольников, соприкасающихся гипотенузами, площади которых образуют прямоугольник, равный прямоугольнику витков обмотки возбуждения, а сами обмотки выполнены печатным способом из нескольких слоев спиральных намоток на диэлектрических подложках, собранных в прямоугольную слоеную таблетку, причем слои намоток возбуждения чередуются со слоями намоток измерительных намоток.

Вновь введенные элементы и связи обеспечивают достижение таких качественных свойств устройства, как
- линейность статической характеристики во всем диапазоне измерений, поскольку измерительный буртик взаимодействует с измерительными обмотками от края до края непрерывно;
- возможность адаптации датчика к измерительным буртикам любой ширины, что дает расширение диапазона измеряемых перемещений.

Изобретение поясняется чертежами, где
фиг.1 - конструкция вихретокового датчика перемещений: а) вид спереди, в аксонометрии, б) в сечении А-А;
фиг. 2 - диэлектрическая подложка со спиралями намоток: а) треугольных измерительных обмоток; б) прямоугольной обмотки возбуждения;
фиг.3 - сечение слоеной таблетки из диэлектрических подложек;
фиг.4 - измерительная схема включения датчика;
фиг.5 - выходные характеристики датчиков:
1 - ближайшего аналога, 2 - заявляемого датчика при той же ширине измерительного буртика, 3 - заявляемого датчика при меньшей ширине измерительного буртика.

Вихретоковый датчик перемещений содержит прямоугольный корпус из немагнитного материала 1, индуктивный чувствительный элемент в виде таблетки 2, собранной из n слоев чередующихся прямоугольных однотипных диэлектрических подложек 3 с нанесенными на обе стороны каждой подложки печатным способом, либо треугольных соосных спиралей намоток 4 измерительных обмоток 5, 6, либо прямоугольных соосных спиралей намоток 7 обмотки возбуждения 8. Спирали намоток каждой подложки пайкой через металлизированные контактные отверстия соответственно 9, 10, 11 включены последовательно и согласно. Подложки послойно через внешние контакты (12, 13), (14, 15), (16, 17) соединяются последовательно и образуют соответственно симметричные измерительные и обмотку возбуждения, которые включаются в измерительную схему 18.

Измерительная схема 18 содержит генератор высокой частоты 19 запитки обмотки возбуждения 8, конденсаторы 20, 21, включенные параллельно измерительным обмоткам 5, 6 и образующие совместно с ними два параллельных колебательных контура. Высокочастотные напряжения с колебательных контуров выпрямляются детекторами 22, 23 и поступают соответственно на инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя 24, выход которого подключен к индикатору 25. Буртик 26 из магнитного материала роторной машины взаимодействует с обмотками 5, 6, 8 чувствительного элемента 2.

Устройство функционирует следующим образом.

Вихретоковый датчик перемещений устанавливается на станине роторной машины, по центру измерительного буртика 26 с зазором h=1...4 мм. При тепловом расширении или механическом износе подшипников происходит смещение измерительного буртика 26 в плоскости, параллельной измерительным обмоткам 5,6, как это показано на фиг.4. Смещение буртика 26 из магнитного материала приводит к изменению его электромагнитной связи с измерительными обмотками 5, 6. Через одну из них магнитный поток увеличивается, а через другую уменьшается, что приводит к появлению на выходе измерительной схемы 18 разностного сигнала, пропорционального смещению (l).

Положительный эффект заявляемого технического решения основан на непрерывном взаимодействии измерительного буртика с каждой из измерительных обмоток от края до края перемещения. При этом благодаря треугольному исполнению измерительных обмоток площадь электромагнитного взаимодействия буртика с одной из обмоток линейно увеличивается, а с другой - линейно уменьшается, что пропорционально линейному изменению магнитного потока, сцепленного с каждой из измерительных обмоток, благодаря чему достигается линейность выходной характеристики даже на краях измерительных интервалов.

Кроме того, в датчике ближайшего аналога предельное перемещение зависит от ширины "C" измерительного буртика. В свою очередь ширина буртика определяет линейность выходной характеристики на краях измерительных интервалов. Чем шире буртик, тем лучше линейность, но тем меньше диапазон измерений датчика ближайшего аналога.

Заявляемый датчик в силу линейности выходной характеристики на краях интервалов может работать с измерительными буртиками любой ширины. Так, например, на Сургутской ГРЭС на валоприводе четвертого энергоблока мощностью 800 МВт, используются измерительные буртики 20, 25 и 35 мм, что влечет за собой необходимость использования датчиков-аналогов двух конструктивных исполнений и габаритов. Использование заявляемого датчика позволит обойтись одним конструктивным элементом. На фиг.5 представлены нормированные (U/U₀) выходные характеристики датчиков: 1 - ближайшего аналога, 2 - заявляемого датчика при той же ширине измерительного буртика. Характеристика датчика ближайшего аналога имеет существенную нелинейность на краях интервала измерений, который занимает до 30% диапазона. Заявленный датчик может работать с измерительными буртиками меньшей ширины при сохранении линейности в широком диапазоне. Экспериментально снятая выходная характеристика заявляемого датчика при меньшей ширине измерительного буртика представлена графиком 3 на фиг.5.

Спиральные намотки 4 на диэлектрических подложках 3 изготавливаются из двухстороннего фольгированного текстолита толщиной 0,2 мм методом травления заготовок, например, в растворе хлорного железа. Требуемая форма спиралей при этом наносится фотошаблонным способом, что не накладывает ограничений на их конфигурацию. Все элементы измерительного тракта собраны по типовым электронным схемам, идентичным схемам ближайшего аналога, и могут быть реализованы на существующей технической базе.

Датчик относится к измерительной технике и может быть использован для контроля линейных перемещений валов роторных машин в энергетике, нефтегазовой промышленности и других областях. Чувствительный элемент датчика имеет две измерительные обмотки, имеющие форму прямоугольных треугольников, соприкасающихся гипотенузами, и обмотку возбуждения. Площади измерительных обмоток образуют прямоугольник, равный прямоугольнику обмотки возбуждения. Обмотки выполнены печатным способом из нескольких слоев спиральных намоток на диэлектрических подложках. Слои спиральных намоток собраны в прямоугольную слоеную таблетку. Слои намоток обмотки возбуждения чередуются со слоями намоток измерительных обмоток. Измерительные обмотки включены дифференциально. Датчик устанавливается на станине роторной машины по центру измерительного буртика ротора машины. Техническим результатом предложенного решения является линейность статической характеристики датчика и возможность его адаптации к измерительным буртикам различной ширины. 5 ил.

Вихретоковый датчик перемещений, содержащий прямоугольный металлический корпус из немагнитного материала, установленный в нем индуктивный чувствительный элемент из двух симметричных измерительных обмоток, включенных дифференциально, и обмотки возбуждения, отличающийся тем, что измерительные обмотки выполнены в виде прямоугольных треугольников, соприкасающихся гипотенузами, площади которых образуют прямоугольник, равный прямоугольнику витков обмотки возбуждения, а сами обмотки выполнены печатным способом из нескольких слоев спиральных намоток на диэлектрических подложках, собранных в прямоугольную слоеную таблетку, причем слои намоток обмотки возбуждения чередуются со слоями намоток измерительных обмоток.