ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 2003 года по МПК G01B7/14 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля вибрации движущихся частей роторных машин в энергетике, турбонасосных агрегатов в нефтегазовой промышленности и других областях.

Известен вихретоковый толщиномер, содержащий вихретоковый преобразователь, генератор переменного напряжения, к выходу которого через токоограничивающий резистор подключен колебательный контур, в качестве индуктивности которого используется вихретоковый преобразователь, последовательно соединенные детектор, подключенный к колебательному контуру, и индикатор (см., например, авт. свид. СССР 1467492, кл. С 01 М 27/90, 1987 г., аналог). Рабочая частота генератора настроена на резонансную частоту колебательного контура, образованного параллельным включением индуктивности преобразователя и входного конденсатора, и равна (100...2000) кГц. Приближение металлического объекта к обмотке вихревого преобразователя приводит к расстройке и увеличению потерь в колебательном контуре и уменьшению его резонансного сопротивления Z

где L - индуктивность обмотки датчика; С - емкость конденсатора; R - активное сопротивление обмотки датчика; Q и ρ- добротность и характеристическое сопротивление контура.

Поэтому напряжение на колебательном контуре U_z, равное

где U_г и R_г - напряжение генератора и сопротивление резистора между выходом генератора и колебательным контуром, будет уменьшаться, что приводит к уменьшению сигнала на входе детектора и выходе индикатора.

Конструктивно вихретоковый преобразователь закрепляется вблизи контролируемого объекта, а его обмотка коаксиальным кабелем, имеющим обычно длину 1-10 м, подключается к входному разъему блока с электронной схемой измерителя. Этот толщиномер реализует амплитудно-резонансный метод измерения, которому присущи следующие недостатки. Во-первых, довольно большой разброс резонансных частот вихретоковых преобразователей в процессе серийного производства исключает взаимозаменяемость датчиков с блоком измерения в процессе эксплуатации. Во-вторых, небольшой диапазон линейности характеристики преобразования измерителя, который зависит от геометрии обмотки датчика и не превышает для амплитудно-резонансного метода h₀=0,2d, где d - диаметр обмотки вихретокового преобразователя.

Наибольшее распространение получили измерители, реализующие автогенераторный метод, в котором обмотка возбуждения датчика образует параллельный колебательный контур, включенный в цепь положительной обратной связи автогенератора, и сигнал с обмотки возбуждения датчика, зависящий от близости контролируемого объекта, используется для измерения. В процессе производства измерителя, реализующего автогенераторный метод, не требуется настройки резонансных частот генератора и колебательного контура, образованного обмоткой датчика и конденсатором. Это обеспечивает взаимозаменяемость датчиков с блоком измерения в процессе эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве ближайшего аналога измеритель перемещений, патент США 4968953, кл. G 01 V 3/11, 1990г. Этот измеритель перемещений содержит вихретоковый датчик Д, схему индикации И, автогенератор АГ, выполненный на трех транзисторах VT1...VT3 (фиг.1). Эмиттеры первого VT1 и второго VT2 транзисторов подключены к шине питания Е, база первого транзистора VT1 соединена с базой и коллектором второго транзистора VT2 и с коллектором третьего транзистора VT3 противоположной проводимости, эмиттер которого соединен через эмиттерный резистор Rэ с общей шиной O, источник тока I₁, включенный между шиной питания Е и базой третьего транзистора VT3, соединенной с анодом первого диода VD1, катод которого соединен с коллектором первого транзистора VT1, колебательный контур LC, образованный параллельным включением обмотки L1 вихретокового датчика Д и входным конденсатором С1 и включенный между коллектором первого транзистора VT1 и общей шиной О. Схема индикации И подключена параллельно колебательному контуру LC и состоит из последовательно соединенных диода VD2 и резистора R_H, шунтированного конденсатором фильтра С2.

В исходном состоянии, когда контролируемый объект К удален на значительное расстояние h, источник тока I₁ открывает транзистор VT3, включенный по схеме с общим эмиттером. Ток коллектора транзистора VT3 через токовое зеркало на транзисторах VT1, VT2 подается в колебательный контур L1, С1. В контуре L1, С1 возникают электрические колебания, отрицательные полуволны которых периодически подзапирают через диод VD1 транзистор VT3, и тем самым управляют средней величиной импульсов тока коллектора VT3, а следовательно, и током коллектора транзистора VT1, определяя некоторую установившуюся амплитуду колебаний автогенератора АГ. Приближение металлического объекта К к обмотке L1 вихретокового датчика Д увеличивает активные и реактивные потери в колебательном контуре L1, С1, изменяя тем самым условия самовозбуждения генератора АГ. При этом амплитуда колебаний, вырабатываемых автогенератором АГ, уменьшается прямо пропорционально расстоянию h. Переменное напряжение автогенератора АГ выпрямляется диодом VD2, фильтруется цепью R_H, C2 и выходное напряжение U_вых регистрируется вольтметром PV.

Недостатком данного измерителя являются низкая чувствительность S_изм

и небольшой диапазон линейности характеристики преобразователя, который не превышает h₀=0,4d, где d - диаметр обмотки датчика.

Низкая чувствительность датчика объясняется тем, что диод VD1 через обмотку датчика L1 шунтирует по постоянному току базоэмиттерный переход усилительного транзистора VT3, образуя с ним "паразитное" токовое зеркало. Поэтому величина начального тока коллектора транзистора VT3 Iк₃ равна

где r_э - сопротивления базоэмиттерного перехода транзистора VT3 и перехода диода VD1 (считаем, что они одинаковы). Обычно ток источника тока I₁ имеет величину (20. . . 100) мкА, резистор Rэ=(10...100) r_э, поэтому ток Iк₃≤(0,05...0,5)I₁=(5...20 мкА.

Известно, что крутизна передаточной характеристики S₃ транзистора VT3 равна

где U_т - температурный потенциал, равный 25,5 мВ при комнатной температуре (см., например, "Полупроводниковая схемотехника" (У.Титце, К.Шенк, М. : Мир, 1982 г., стр. 27...31, 43). Таким образом, возникновение колебаний автогенератора АГ происходит на участке с малой крутизной усилительного транзистора VT3 и чувствительность S_изм измерителя перемещения аналога низка.

Небольшой диапазон линейности характеристики преобразования определяется тем, что схема индикации И шунтирует колебательный контур L1, C1 и не детектирует ("не чувствует") электрические колебания на контуре L1, C1, амплитуда которых меньше величины прямого падения напряжения на выпрямительном диоде VD2 в схеме индикации И (для кремниевого диода она равна ≈0,6 В). Кроме того, при воздействии температуры величина падения напряжения на выпрямительном диоде VD2 изменяется, что приводит к изменению чувствительности S_изм измерителя. Все это уменьшает точность измерения измерителя.

Задачей данного изобретения является увеличение точности измерений за счет повышения и термостабилизации чувствительности и расширения линейного диапазона измерения.

Поставленная задача решается тем, что в измеритель перемещений, содержащий вихретоковый датчик, схему индикации, автогенератор, выполненный на трех транзисторах, эмиттеры первого и второго транзисторов подключены к шине питания, база первого транзистора соединена с базой и коллектором второго транзистора и с коллектором третьего транзистора противоположной проводимости, эмиттер которого соединен через эмиттерный резистор с общей шиной, источник тока, включенный между шиной питания и базой третьего транзистора, соединенной с одним из выводов первого диода, колебательный контур, образованный параллельным включением обмотки датчика и входным конденсатором и включенный между коллектором первого транзистора и общей шиной, в автогенератор введен резистор смещения, включенный между коллектором первого транзистора и вторым выводом первого диода, а в схему индикации введены высокочастотный буфер, диодно-резистивный мост, источник опорного напряжения, включенный между шиной питания и общей шиной, и дифференциальный усилитель, вход высокочастотного буфера через первый переходной конденсатор соединен с коллектором первого транзистора, одна диагональ диодно-резистивного моста включена между выходом источника опорного напряжения и общей шиной, другая диагональ моста включена между измерительными входами дифференциального усилителя, нижние плечи диодно-резистивного моста образованы одинаковыми токозадающими резисторами, шунтированными одинаковыми конденсаторами, а верхние плечи парами одинаковых согласно включенных диодов, вход диодно-резистивного моста, образованный общим соединением диодов в одном из верхних плеч, подключен через второй переходной конденсатор к выходу высокочастотного буфера, опорный вход дифференциального усилителя соединен с общей шиной, а выход подключен к индикатору.

Вновь введенные элементы и связи обеспечивают увеличение точности измерений за счет
повышения чувствительности измерителя посредством смещения рабочей точки автогенератора в зону высокой крутизны характеристики возбуждения;
расширения линейного участка характеристики преобразования измерителя посредством снижения порога детектирования схемы индикации;
уменьшения влияния температуры на чувствительность измерителя.

Изобретение поясняется чертежами,
где фиг.1 - электрическая схема измерителя перемещения ближайшего аналога;
фиг.2 - электрическая схема заявляемого измерителя перемещения;
фиг. 3 - характеристики преобразования ближайшего аналога (а) и заявляемого измерителя перемещения (б).

Измеритель перемещений содержит вихретоковый датчик 1, схему индикации 2, автогенератор 3, выполненный на трех транзисторах 4, 5, 6. Эмиттеры первого 4 и второго 5 транзисторов подключены к шине питания 7, база первого транзистора 4 соединена с базой и коллектором второго транзистора 5 и с коллектором третьего транзистора 6 противоположной проводимости, эмиттер которого соединен через эмиттерный резистор 8 к общей шине 9. Автогенератор 3 содержит также источник тока 10, включенный между шиной питания 7 и базой третьего транзистора 6, соединенной с одним из выводов первого диода 11, колебательный контур, образованный параллельным включением обмотки 12 датчика 1 и входным конденсатором 13, включенным между коллектором первого транзистора 4 и общей шиной 9, и резистор смещения 14, подключенный к другому выводу первого диода 11 и коллектором первого транзистора 4. Схема индикации 2 содержит высокочастотный буфер 15, диодно-резистивный мост 16, источник опорного напряжения 17, включенный между шиной питания 7 и общей шиной 9, и дифференциальный усилитель 18. Вход высокочастотного буфера 15 через первый переходной конденсатор 19 соединен с коллектором первого транзистора 4. Одна диагональ диодно-резистивного моста включена между выходом источника опорного напряжения 17 и общей шиной 9, другая диагональ диодно-резистивного моста 16 включена между измерительными входами дифференциального усилителя 18. Нижние плечи диодно-резистивного моста 16 образованы одинаковыми токозадающими резисторами 20, 21, шунтированными конденсаторами 22, 23, а верхние плечи моста 16 образованы парами одинаковых согласно включенных диодов 24, 25 и 26, 27. Вход диодно-резистивного моста 16, образованный общим соединением диодов 24, 25, подключен через второй переходной конденсатор 28 к выходу высокочастотного буфера 15. Опорный вход дифференциального усилителя 18 соединен с общей шиной, а его выход подключен к индикатору 29. Чувствительная зона датчика 1, образованная его обмоткой 12, расположена у контролируемого объекта 30 на расстоянии h.

Устройство работает следующим образом.

При подаче питания на измеритель перемещений источник тока 10 автогенератора 3 открывает транзистор 6, включенный по схеме с общим эмиттером. Ток коллектора I₆ транзистора 6 через токовое зеркало на транзисторах 4, 5 подается в колебательный LC контур, образованный обмоткой 12 датчика 1 и конденсатором 13. В контуре 12, 13 возникают электрические колебания, отрицательные полуволны которых периодически подзапирают через последовательно соединенные резистор смещения R14 и диод 11 транзистор 6 и тем самым управляют средней величиной импульсов тока I₆ коллектора транзистора 6 и средней величиной импульсов тока 14 коллектора транзистора 4, питающего колебательный контур 12, 13. На колебательном контуре 12, 13 устанавливается амплитуда колебаний переменного напряжения U_аг обмоткой 12 датчика 1. Это переменное напряжение U_аг поступает через переходной конденсатор 19 на вход высокочастотного буфера 15, который осуществляет согласование высокого выходного сопротивления автогенератора 3 с низким входным сопротивлением выпрямителя, собранного на диодно-резистивном мосте 16. С выхода высокочастотного буфера 15 переменное напряжение U₁₅ поступает через конденсатор 28 на вход диодно-резистивного моста 16, где оно выпрямляется диодами 24, 25 и сглаживается конденсатором 22. Через выпрямительные диоды 24, 25 протекает начальный ток смещения I₂₀, задаваемый источником опорного напряжения 17 и токоограничивающим резистором 20 и равный

где U₁₇ - опорное напряжение источника 17, U_пр - прямое падение напряжения на кремниевых диодах 24, 25. Благодаря этому диапазон линейного выпрямления переменного напряжения U₁₅ увеличивается примерно на 0,3... 0,4 В. Выпрямленное напряжение U₂₂ поступает на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 18. Так как оно имеет постоянную составляющую I₂₀R₂₀, то для ее компенсации (как по величине, так и по температуре) на инвертирующий вход дифференциального усилителя 18 подается напряжение компенсации U₂₁, равное по величине
U₂₁=I₂₀•R₂₀=I₂₁•R₂₁
и задаваемое источником опорного напряжения 17, диодами 26, 27 и токоограничивающим резистором 21. При этом ток

так как используются однотипные диоды 24...27 (диодная сборка КДС523Г) и одинаковые резисторы R₂₁= R₂₀. Так как опорный вход дифференциального усилителя 18 соединен с общей шиной, то на индикаторе 29, подключенном к выходу дифференциального усилителя 18, будет индицироваться постоянное напряжение U₂₉, величина которого прямо пропорциональна выходному напряжению U_аг автогенератора 3 и зазору h.

Уменьшение зазора h между металлическим объектом 30 и обмоткой 12 датчика 1 увеличивает активные и реактивные потери в колебательном контуре 12, 13, тем самым изменяя условия самовозбуждения автогенератора 3. При этом амплитуда колебаний, вырабатываемых генератором 3, уменьшается прямо пропорционально расстоянию h. Напряжение U_аг после согласования высокочастотным буфером 15, выпрямления и фильтрации диодно-резистивным мостом 16 и "привязки" дифференциального сигнала моста 16 дифференциальным усилителем 18 к общей шине 9 индицируется индикатором 29.

Введение резистора смещения 14 позволяет увеличить ток коллектора и крутизну преобразования усилительного транзистора 6 на 1...2 порядка и тем самым обеспечить возникновение колебаний автогенератора 3 на участке с высокой крутизной, что повышает чувствительность измерения перемещения в 3...10 раз. Введение высокочастотного буфера 15, диодно-резистивного моста 16, источника опорного напряжения 17 и дифференциального усилителя 18 позволяет снизить шунтирование колебательного контура 12, 13, уменьшить нижнюю границу детектирования переменного напряжения автогенератора 3 с 600 мВ до 100...150 мВ и тем самым дополнительно увеличить чувствительность измерителя в 1,5...2 раза и расширить диапазон линейного участка измерителя h₀ с 0,3d для ближайшего аналога до 0,4d (см. фиг.3 а, б) и термостабилизировать чувствительность измерителя перемещений, что в результате позволяет увеличить точность измерений в 2...3 раза.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля вибрации движущихся частей роторных машин в энергетике, турбонасосных агрегатах, в нефтегазовой промышленности и других областях. Измеритель содержит вихретоковый датчик, схему индикации и автогенератор, выполненный на трех транзисторах. Обмотка датчика является частью колебательного контура автогенератора. Схема индикации содержит высокочастотный буфер, диодно-резистивный мост, дифференциальный усилитель, источник опорного напряжения и индикатор. В схему автогенератора введен резистор смещения, который позволяет обеспечить возникновение колебаний автогенератора на участке с высокой крутизной и повысить чувствительность измерителя. Напряжение автогенератора после согласования высокочастотным буфером, выпрямления и фильтрации диодно-резистивным мостом и усиления сигнала моста дифференциальным усилителем индицируется индикатором. Введение высокочастотного буфера, диодно-резистивного моста, источника опорного напряжения и дифференциального усилителя позволяет снизить шунтирование колебательного контура. 3 ил.

Измеритель перемещений, содержащий вихретоковый датчик, схему индикации, автогенератор, выполненный на трех транзисторах, эмиттеры первого и второго транзисторов подключены к шине питания, база первого транзистора соединена с базой и коллектором второго транзистора и с коллектором третьего транзистора противоположной проводимости, эмиттер которого соединен через эмиттерный резистор с общей шиной, источник тока, включенный между шиной питания и базой третьего транзистора, соединенной с одним из выводов первого диода, колебательный контур, образованный параллельным включением обмотки датчика и входным конденсатором и включенный между коллектором первого транзистора и общей шиной, отличающийся тем, что в автогенератор введен резистор смещения, включенный между коллектором первого транзистора и вторым выводом первого диода, а в схему индикации введены высокочастотный буфер, диодно-резистивный мост, источник опорного напряжения, включенный между шиной питания и общей шиной, и дифференциальный усилитель, вход высокочастотного буфера через первый переходной конденсатор соединен с коллектором первого транзистора, одна диагональ диодно-резистивного моста включена между выходом источника опорного напряжения и общей шиной, другая диагональ моста включена между измерительными входами дифференциального усилителя, нижние плечи диодно-резистивного моста образованы одинаковыми токозадающими резисторами, шунтированными одинаковыми конденсаторами, а верхние плечи - парами одинаковых согласно включенных диодов, вход диодно-резистивного моста, образованный общим соединением диодов в одном из верхних плеч, подключен через второй переходной конденсатор к выходу высокочастотного буфера, опорный вход дифференциального усилителя соединен с общей шиной, а выход подключен к индикатору.