ВИХРЕТОКОВЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК G01N27/90 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при конструировании систем виброконтроля габаритных валов роторных машин в энергетике, нефтегазовой промышленности и в других областях.

Известен класс индуктивных датчиков с изменяющимся зазором между сердечником и перемещающимся якорем, приводящих к изменению индуктивного параметра (L) в измерительной цепи [см., например, Индуктивные датчики в книге Справочник по радиоэлектронике под редакцией Куликовского, том 2, Энергия, М., 1968 г., стр.464-465, рис 19.10 - аналог]. Недостатками известных аналогов являются:

- неоднородность магнитного поля при большой величине зазора, вызывающая нелинейность характеристики;

- ограниченность зазора перемещений (0.1-2 мм) для некоторого класса датчиков;

- необходимость механического соединения якоря (сердечника) с контролируемым объектом.

Для контроля вибраций и перемещений вращающихся габаритных валов роторных машин нашли применение бесконтактные вихретоковые датчики. Такие датчики содержат обмотку возбуждения и две измерительные обмотки. Датчик устанавливается на станине с зазором (h) относительно буртика вала ротора из немагнитного материала. При перемещении вала измерительный буртик перемещается в плоскости, параллельной измерительной обмотке. Смещение буртика приводит к возмущению электромагнитного поля в области, охватываемой витками обмотки возбуждения, и появлению разностного сигнала во встречновключенных измерительных обмотках [см., например, патент RU №2.196.960, G 01 B 7/00 "Вихретоковый датчик перемещений", 2003 г.]

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является вихретоковый датчик, патент RU №2189585, G 01 N 27/90, 2002 г. Устройство ближайшего аналога содержит датчик из n одинаковых диэлектрических подложек, на каждой из которых с двух сторон выполнены токопроводящие спиральные обмотки в виде правильных концентрических многоугольников с m сторонами, собранных в таблетку. Обмотки повернуты относительно друг друга на угол α=360°/2m, при котором стороны многоугольных спиралей не параллельны друг другу. При измерениях вихретоковый датчик запитывается от высокочастотного кварцевого генератора, нагруженного на делитель напряжения из сопротивления генератора R_г и эквивалентного сопротивления датчика R_э. Сигнал с эквивалентного сопротивления датчика подается на вход последовательно подключенных усилителя, детектора, фильтра нижних частот и регистратора. Датчик устанавливается на неподвижной части агрегата с зазором (h) между неподвижной частью и ротором.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- электрическая схема измерений не учитывает различную электропроводность материала буртиков ротора;

- амплитудный метод обработки сигнала в тракте измерений ограничивает диапазон линейности выходной характеристики;

- неоптимальность пропорций в конструктивных размерах датчика ограничивает линейность модуляционной характеристики.

Задачей изобретения является увеличение допустимой величины зазора (h) между датчиком и буртиком при одновременном расширении диапазона линейности выходной характеристики путем изменения как соотношений конструктивных размеров датчика, так и схемных решений тракта обработки сигнала.

Поставленная задача решается тем, что вихретоковый измеритель, содержащий вихретоковый датчик, выполненный в виде таблетки спиральных намоток, взаимодействующий с буртиком роторной машины, возбуждаемый от высокочастотного генератора и подключенный к тракту обработки сигнала, дополнительно в тракте обработки реализован фазовый метод на основе последовательно подключенных к высокочастотному генератору фазовращателя, фазового детектора, фильтра нижних частот и регистратора, сигнал с датчика через усилитель подается на второй вход фазового детектора, при этом отношение толщины (а) таблетки датчика к ее среднему диаметру (d_cp) выбирается из условия a/d_cp≈0.15-0.2, а частоту (f) возбуждения датчика выбирают в зависимости от электрической проводимости (g) материала буртика, так чтобы f·g≈const.

Изобретение поясняется чертежами, где

фиг.1 - функциональная схема измерителя;

фиг.2 - пропорция α=a/d_cp между конструктивными размерами датчика;

фиг.3 - характеристика чувствительности ΔL/L датчика в функции параметра α и зазора h;

фиг.4 - характеристика чувствительности фазового метода обработки сигнала к параметрам β, h/h_max;

фиг.5 - зависимость крутизны фазовой характеристики от соотношений f·g (или глубины δ проникновения электромагнитного поля в материал буртика);

фиг.6 - выходные характеристики измерителей, а - заявляемого, б - прототипа.

Заявляемый измеритель, фиг.1, содержит вихретоковый датчик 1, возбуждаемый высокочастотным генератором 2 и взаимодействующий с буртиком 3 вала 4 роторной машины. Датчик устанавливают на станине с зазором h относительно буртика. Сигнал с датчика поступает в тракт обработки 5 через усилитель 6 на второй вход фазового детектора 7, опорную фазу которого формируют посредством фазовращателя 8, выход которого подключен к первому входу фазового детектора 7, а вход подключен к высокочастотному генератору. Сигнал с выхода фазового детектора 7 через фильтр нижних частот 9 поступает на регистратор 10.

Устройство функционирует следующим образом. При вращении вала 4 роторной машины из-за асимметрии выполнения ротора и неточности центрирования в подшипниках изменяется величина зазора h между буртиком 3 и обмоткой L датчика 1. В результате изменяется величина вносимого сопротивления в контур датчика из L, R_a, С_п, что приводит к изменению эквивалентного сопротивления контура Rэ и параметрической модуляции сигнала, снимаемого с выхода датчика. При параметрической модуляции изменяется как амплитуда сигнала, так и его фаза. В промодулированных таким образом высокочастотных колебаниях содержится вся информация о величине зазора h, амплитуде и частоте вибраций ротора. Для реализованного в измерителе фазового метода обработки сигнала необходимо иметь опорную фазу колебаний высокочастотного генератора 2, которую формируют посредством фазовращателя 8, задающего рабочую точку на характеристике фазового детектора 7. Фильтр нижних частот 9 выделяет модулирующую функцию, содержащую информацию о параметрах вибрации ротора, которую записывают регистратором 10.

Положительный эффект заявленного технического решения состоит в одновременном использовании нескольких конструктивных, режимных и схемных решений для расширения линейного диапазона выходной характеристики измерителя:

- выборе пропорций между толщиной (а) слоеной таблетки датчика и средним диаметром d_cp намотки спиралей чувствительного элемента α=a/d_cp;

- использование фазового метода обработки сигнала в измерительном тракте;

- учете электропроводности немагнитного материала буртика при выборе частоты возбуждения измерительной обмотки.

Известно, что чувствительный элемент вихретокового датчика в виде обмотки, расположенной вблизи проводящего экрана, представляет собой систему связанных контуров [см., например, "Имитатор вихретоковых нагрузок", Патент RU №2231020, G 01 B 7/14, 2004 г.]. Благодаря вихревым токам, текущим в экране (буртике), в обмотку датчика вносится эквивалентное сопротивление, величина которого является функцией зазора (h) между датчиком и буртиком. Глубина модуляции индуктивности ΔL/L обмотки буртиком зависит также от пропорций геометрических размеров датчика, т.е. параметра α=a/d_cp. Оптимизируемая пропорция между конструктивными размерами датчика a, d_cp иллюстрируется фиг.2. На фиг.3 представлена модуляционная характеристика ΔL/L чувствительного элемента датчика в функции параметра α и величины зазора h. Для фазового метода выделения сигнала исследовано влияние параметра α на диапазон линейности фазовой характеристики тракта, фиг.4. Изменение параметра α приводит к изменению крутизны и линейности характеристики. При значении параметра α=0.1 изменение фазы сигнала составляет 70-75°, но характеристика существенно нелинейна, при α=0.52 характеристика имеет малую крутизну. Наилучшая линейность и достаточная крутизна достигаются при значениях параметра α=0.15-0.2.

Из теории электромагнитного поля известно, что глубина δ проникновения поля в вещество определяется проводимостью g вещества, его магнитной проницаемостью μ и частотой электромагнитных колебаний f:

Для немагнитных материалов μ≡1, а глубина проникновения зависит только от произведения f·g. Поскольку проводимость немагнитных материалов буртика (медь, бронза, латунь, серебро, алюминий) существенно различна, то и чувствительность электрических параметров датчика к материалу буртика не остается одинаковой. Максимальная чувствительность к проводимости достигается в области наибольших вносимых сопротивлений. Если глубина проникновения поля велика, то в толще буртика текут вихревые токи, энергия тратится на нагрев, активные потери в чувствительном элементе датчика велики. Максимальная добротность чувствительного элемента достигается при условии, когда токи текут только по поверхности буртика, при этом для различных материалов должно выполняться соотношение f·g=const.

На фиг.3 иллюстрируется изменение крутизны фазовой характеристики от изменения величины δ (или соответствующего ему изменения соотношения f·g).

На фиг.6 представлены выходные характеристики измерителей, а - заявляемого устройства, б - прототипа.

Благодаря одновременному использованию в заявляемом устройстве фазового метода обработки сигнала, оптимизации конструктивных размеров датчика и подбора частоты высокочастотного генератора под проводимость материала буртика диапазон линейности выходной характеристики измерителя увеличен на 40%. Новыми элементами измерителя по отношению к прототипу являются фазовращатель и фазовый детектор. Они могут быть выполнены на существующей элементной базе по типовым электрическим схемам включения. Фазовращатель Ф11 [см., например, У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника, пер. с немецкого, М., Мир, 1982 г., стр.221-222, рис.13.34], фазовый детектор [см., например, П.Хоровиц. У.Хилл. Искусство схемотехники, том 2, М., Мир, 1993 г., стр.265-266, рис.9.69-9.70].

Использование: измерительная техника, системы виброконтроля габаритных валов роторных машин. Сущность изобретения: измеритель содержит вихретоковый датчик в виде таблетки спиральных намоток, возбуждаемых высокочастотным генератором, тракт фазовой обработки сигнала из фазовращателя, фазового детектора, фильтра нижних частот, регистратора, сигнал с датчика через усилитель подают на второй вход фазового детектора, при этом отношение толщины таблетки датчика к среднему диаметру выбрано 0.15-0.2, а частоту возбуждения выбирают в зависимости от проводимости g материала буртика из условия f·g=const. Технический результат: расширение диапазона линейности выходной характеристики и допустимого зазора между датчиком и ротором. 6 ил.

Вихретоковый измеритель, содержащий вихретоковый датчик, выполненный в виде таблетки спиральных намоток, взаимодействующий с буртиком роторной машины, возбуждаемый от высокочастотного генератора и подключенный к тракту обработки сигнала, отличающийся тем, что в тракте обработки реализован фазовый метод на основе последовательно подключенных к высокочастотному генератору фазовращателя, фазового детектора, фильтра нижних частот и регистратора, сигнал с датчика через усилитель подают на второй вход фазового детектора, при этом отношение толщины (а) таблетки датчика к ее среднему диаметру d_cp выбирают из условия a/d_cp≈0,15-0,2, а частоту f возбуждения датчика выбирают в зависимости от электрической проводимости g материала буртика так, чтобы f·g=const.