СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАЗОРОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК G01B15/00 G01B11/14 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения зазоров между деталями машин и механизмов, в частности, для контроля расстояния между верхними торцами роторных лопаток и внутренней поверхностью корпуса роторной машины.

Как известно, при эксплуатации различных роторных машин таких, например, как газотурбинные двигатели, газоперекачивающие агрегаты и т.п., увеличение относительных радиальных зазоров, т.е. расстояний между внутренней поверхностью корпуса и торцами роторных лопаток, на 1%, как правило, приводит к снижению к.п.д. роторной машины на 3% и перерасходу топлива почти на 10% (см., например, журнал "Газотурбинные технологии" №4, 2004 г.) [1]. Поскольку в процессе работы роторной машины различные элементы газовоздушного тракта по-разному изменяют свои линейные размеры под воздействием температуры, возможно либо чрезмерное увеличение радиального зазора, либо задевание роторных лопаток за корпус. Измерение истинного значения радиальных зазоров в процессе функционирования и использование результатов измерения для управления радиальными зазорами в процессе испытаний и штатной эксплуатации роторных машин позволяет существенно улучшить их технико-экономические параметры и надежность.

Известны различные способы контроля величины радиального зазора, основанные на использовании контактных и неконтактных методов измерения. Механические датчики в виде различных щупов и конструкций, например, описанные в патенте РФ №223175 [2], которые стачиваются при взаимодействии с лопатками, не позволяют измерять радиальные зазоры при их увеличении. Известны также способы измерения радиальных зазоров, основанные на использовании емкостных (см. патент РФ №1130087 [3]), вихретоковых (см. опубликованную заявку РФ №2002117100 [4]) и оптических (см. авторское свидетельство СССР №1529877 [5] и опубликованную заявку РФ №98115308 [6]) методов измерения. Недостатком перечисленных способов является невозможность обеспечения требуемой точности измерения при высоких температурах, например, при 1200°С, в области измеряемого зазора даже в случае подачи охлаждения к элементам установленным в газовоздушном тракте роторной машины.

Известен фазовый метод измерения расстояний, описанный в монографии Супряга Н.П., Радиолокационные средства непрерывного излучения. М.: Воениздат, 1974 г., стр.25, формула 20 [7], который заключается в том, что расстояние l, пройденное до отражающего объекта, определяют через измерение разности фаз Δϕ излучаемого и принятого сигналов:

где l - измеряемое расстояние, λ - длина волны колебания.

Измерение разности фаз осуществляют, как правило, с помощью фазового детектора, имеющего периодическую зависимость выходного сигнала от разности фаз сигналов на его входах (см. Справочник по радиолокации. Под ред. М.Сколника. Нью-Йорк, 1970: Пер. с англ. (в четырех томах) / Под общей ред. К.Н.Трофимова; Том 3. Радиолокационные устройства и системы / Под ред. А.С. Виницкого. - М.: Сов радио, 1978, 528 с., с ил., стр.183 [8]), например:

где U_вых - выходное напряжение фазового детектора, U₀ - амплитуда напряжения фазового детектора.

В соответствии с (2) полная разность фаз определяется, как

где ϕ₁=arcsin(U_вых/U₀) - значение разности фаз, лежащее в диапазоне 0<ϕ₁/<2π,

«2πn» - стандартный «остаток», используемое при вычислении фазовых сдвигов при помощи фазовых детекторов, при этом n=0, 1, 2, ... - целое число.

С учетом (1) и (3) выражение для определения расстояния фазовым методом может быть записано в следующем виде

l=λ(ϕ₁+2πn)/4π.

Фазовый метод обеспечивает высокую точность измерения расстояний, однако, не позволяет однозначно определить неизвестную величину «n» (которая для большинства реальных применений составляет величину в десятки и сотни тысяч) для вычисления полной разности фаз.

Указанная особенность приводит к тому, что фазовый метод применяется либо в сложных многочастотных системах, либо в комбинации с другими методами, либо для измерения расстояния, изменение которого гарантированно не превышает половину длины волны колебания.

Так известен способ измерения дальности цели в радиолокаторе с частотно-модулированным непрерывным сигналом (см. патент США №4503433 [9]), в котором грубое измерение расстояния производится частотным методом с использованием линейной частотной модуляции (ЛЧМ) сигнала генератора. Точное значение расстояния определяется фазовым методом с использованием формулы (2), причем значение параметра «n» вычисляется в результате грубого измерения. Недостатком этого способа является невозможность реализации точного измерения главного значения разности фаз, обусловленная использованием для измерения частотного метода. Кроме того, определение точного значения «n» требует высокой линейности ЛЧМ сигнала, точного определения девиации частоты и коротких промежутков времени.

Известны также «Способ и система для измерения небольших расстояний» (см. патент США №4829305 [10]). Способ состоит в том, что частота излучаемого сигнала регулируется до достижения заданной разности фаз принятого и излучаемого сигналов. Проблема неоднозначности измерений снимается тем, что для вычислений используется только главное значение разности фаз, то есть n=0. Система для измерения расстояний содержит генератор с частотой, управляемой напряжением, сигнал субгармоники которого с выхода делителя частоты передается излучателем в сторону измеряемого объекта и в режиме грубого измерения подается на опорный вход средства сравнения фаз, преимущественно, фазового детектора, на второй вход которого поступает сигнал, отраженный от объекта. Выходное напряжение средства сравнения фаз, которое является критерием при установке определенного значения разности фаз излучаемого и принятого сигналов, поступает через фильтр на вход управления частотой генератора. Система представляет собой цепь автоматической подстройки частоты (АПЧ) генератора на частоту дискриминатора, которая определяется временем распространения сигнала до объекта и обратно. Для повышения точности предусмотрен режим, при котором на опорный вход фазового детектора подается гармоника передаваемого сигнала, то есть сигнал генератора. Значение установившейся частоты определяется измерителем частоты, а соединенное с ним вычислительное устройство вычисляет расстояние и отображает результат на дисплее. Описанные способ и система позволяют определить расстояние по одному значению разности фаз излучаемого и принятого сигналов на одной частоте. Основным недостатком способа и системы является возможность неустойчивой работы при измерении быстропеременных расстояний.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является основанное на использовании фазового способа измерения расстояния устройство для измерения радиальных зазоров между концами лопаток и окружающим их корпусом (см. патент Германии №19705769 [11]) с использованием микроволнового радара. Радарная система включает в себя приемно-передающее устройство, от которого микроволны через волновод направляются в основном радиальном или осевом направлении на лопастное колесо. Апертура волновода находится на очень малом расстоянии над кромками лопастей, что позволяет очень точно определять, находится ли кромка лопасти непосредственно напротив апертуры. В этом случае микроволны отражаются, и из отраженного сигнала можно определить расстояние от лопастей до волновода и, значит, до стенки корпуса. Установка ряда таких волноводов на границе объема, захватываемого лопастями, позволяет определить радиальный или осевой зазор на различных участках корпуса. Недостатком данного решения, как и других известных решений, является зависимость результатов измерений радиальных зазоров от температуры и параметров вибрации волновода, который передает электромагнитные колебания от приемопередатчика радара к антенне и обратно.

Особенность измерения радиальных зазоров роторных машин состоит в том, что требуется выполнение измерений в широком температурном диапазоне от минус 60 градусов Цельсия до плюс 1200 градусов Цельсия при воздействии на измерительное оборудование вибрации, достигающей значений 10-50 g и имеющей сложный спектральный состав. При этом желательно обеспечить точность измерения величины радиального зазора не хуже 0,01 мм в диапазоне от 0 до 30 мм и высокий темп выдачи информации.

В фазовых системах в действительности измеряется фаза, обусловленная прохождением электромагнитной волны от генератора 1 колебаний через соединительные 4 и направленные 2 элементы, линию 5 передачи сигналов, антенну 6, среду распространения 9 (т.е. пространство между антенной, совмещенной с внутренней поверхностью, и поверхностью 8, до которой измеряется зазор) до отражающей поверхности 7 и обратно через среду распространения, антенну, линию передачи сигналов, соединительные и вспомогательные элементы к фазовому детектору 3 (Фиг.1), на второй вход которого подается опорный сигнал, как правило, поступающий от генератора. Генератор, соединительные и направленные элементы в совокупности образуют систему измерения фазы 10.

Изменение фазового сдвига при проведении измерений может быть обусловлено как изменением величины радиального зазора, так и изменением длины тракта измерительной системы, по которому проходят электромагнитные колебания. При этом путь, проходимый сигналом по системе измерения фазы (СИФ), является, во-первых, небольшим, поскольку элементы сосредоточены в ограниченном объеме, а во-вторых, стабильным, поскольку температура СИФ не может изменяться в широких пределах, и он, как правило, охлаждается или термостатируется. Корпус роторной машины может значительно нагреваться в процессе работы, а место установки антенной системы окружено различными элементами, поэтому для лучшего охлаждения СИФ и упрощения монтажа целесообразно относить радиоэлектронную аппаратуру на некоторое расстояние от места установки антенны, используя для передачи сигналов волноводную или коаксиальную линию связи.

При эксплуатации системы измерения радиальных зазоров линия передачи, которая в общем случае может содержать различные изгибы, подвергается воздействию температур и вибраций, что приводит к изменению ее длины и формы (Фиг.2).

Измеряемый радиальный зазор 11, как правило, не превышает долей длин волн, а длина линии 5 связи (L) может составлять десятки-сотни длин волн, поэтому даже незначительное относительное изменение длины линии связи может привести к существенному абсолютному изменению ее длины и, следовательно, к возникновению ошибки измерения действительного зазора.

Так, например, при нагревании волновода из молибденового сплава с температурным коэффициентом линейного расширения α=6×10^-6 С^-1, титанового сплава с температурным коэффициентом линейного расширения α=9×10^-6 С^-1, или медного сплава с температурным коэффициентом линейного расширения α=18×10^-6 С^-1, длиной 500 мм на 300°С абсолютное изменение его длины составит соответственно 0,9 мм, 1,35 мм и 2,7 мм соответственно, что значительно хуже требуемой точности измерения. Если требуется обеспечить точность измерения 0,01 мм, то это может быть обеспечено в существующих фазовых системах, например, при длине волноводной линии не более 35 мм и изменении температуры волновода не более чем на 30°С, что практически не может быть выполнено при проведении измерений на функционирующей роторной машине. В том случае, если измерительная система крепится к корпусу роторной машины только при помощи антенны (см. точку S на Фиг.2), нагрев линии связи приводит к увеличению 12 измеренного значения 9 радиального зазора относительно действительного 11, а если при помощи СИФ (см. точку U на Фиг.2) - к уменьшению 13. Крепление измерительной системы в двух точках приводит к дополнительному изменению формы линии связи за счет воздействия температуры и относительного перемещения точек крепления.

Изменение формы линии связи, обусловленное как воздействием температуры, так и воздействием вибрации приводит к изменению коэффициента стоячей волны и, следовательно, к изменению соотношения между уровнем сигнала, отраженного от поверхности, до которой измеряется дальность, и сигналом, отраженным линией связи R, что изменяет фазу сигнала, поступающего на вход фазового детектора, и приводит к возникновению ошибки измерения ΔL(f).

Для обеспечения заданной точности измерения радиальных зазоров требуется калибровка измерительной системы, причем не только перед началом проведения измерений, но и в процессе их осуществления, поскольку температура и вибрация могут существенно изменяться даже на коротком интервале времени за счет изменения внешних условий и режимов работы роторной машины.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в повышении точности измерения расстояний между элементами машин и механизмов и, в том числе, радиального зазора между торцами роторных лопаток и корпусом роторной машины в процессе ее функционирования и при воздействии на элементы измерительного оборудования температуры и вибрации.

Технический результат достигается за счет того, что в известном способе измерения зазоров между деталями машин и механизмов, заключающемся в облучении электромагнитными колебаниями объекта от антенны, совмещенной с внутренней поверхностью другого объекта, между которыми измеряют искомый зазор, приеме отраженных от облучаемого объекта колебаний, измерении фазового сдвига Δϕ между принятым и излученным колебаниями, обусловленного временем прохождения колебаний от антенны до облучаемого объекта и обратно, и определении зазора d между контролируемыми объектами, согласно предложенному изобретению дополнительно производят измерение фазового сдвига между полученным по измерительному каналу сигналом, проходящим путь от генератора электромагнитных колебаний, через первый направленный элемент, через первую линию передачи сигналов, через антенну, через среду распространения сигнала между антенной и отражающей поверхностью, до которой измеряется зазор, и обратно к фазовому детектору, и сигналом, полученным по опорному каналу, проходящим путь от генератора электромагнитных колебаний, через второй направленный элемент, через вторую линию передачи сигналов до расположенного на конце нее замыкателя в виде фиксированного отражающего элемента, и обратно к фазовому детектору, причем вторая линия передачи сигналов, входящая в состав опорного канала, имеет параметры и длину аналогичные первой линии передачи сигналов, входящей в состав измерительного канала, и механически объединена с ней так, что элементы измерительного и опорного каналов подвергаются одинаковым воздействиям температуры и вибрации, зазор d между контролируемыми объектами определяют при помощи фазового детектора как d=Δ(Δϕ₁-Δϕ_o+2πn)/4π, где λ - длина волны колебаний, Δϕ₁ - фазовый сдвиг между сигналами опорного и измерительного каналов, полученными при выполнении измерений, Δϕ_о - фазовый сдвиг между сигналами опорного и измерительного каналов, полученными в процессе калибровки измерительной системы при нулевой дальности до отражающего объекта.

Согласно первому варианту конструктивного исполнения в известном устройстве измерения зазоров между деталями машин и механизмов, содержащем генератор электромагнитных колебаний, первый направленный элемент, первую линию передачи сигналов, соединенную с одного своего конца с антенной, совмещенной с внутренней поверхностью объекта, удаленного от поверхности другого объекта, между которыми измеряют зазор, фазовый детектор, вычислитель, определяющий расстояние до отражающего объекта по известной длине волны колебаний и измеренной величине фазового сдвига между отраженным сигналом и сигналом генератора электромагнитных колебаний, при этом генератор электромагнитных колебаний соединен с первым входом первого направленного элемента, второй вход которого подключен к первой линии передачи сигналов с конца противоположного тому концу, к которому подсоединена антенна, выход первого направленного элемента соединен с первым входом фазового детектора, выход которого подключен к вычислителю, согласно предложенному изобретению в состав устройства дополнительно введены второй направленный элемент и вторая линия передачи сигналов конструктивно идентичная первой линии передачи сигналов и механически объединенная с ней, при этом первый вход второго направленного элемента подключен к генератору электромагнитных колебаний, а второй вход - к одному из концов второй линии передачи сигналов, на другом конце которой рядом с излучателем антенны первой линии передачи сигналов установлен замыкатель в виде фиксированного отражающего элемента, выход второго направленного элемента соединен со вторым входом фазового детектора.

Согласно второму варианту конструктивного исполнения в известном устройстве измерения зазоров между деталями машин и механизмов, содержащем генератор электромагнитных колебаний, направленный элемент, первую линию передачи сигналов, соединенную с одного своего конца с антенной, совмещенной с внутренней поверхностью объекта, удаленного от поверхности другого объекта, между которыми измеряют зазор, фазовый детектор, вычислитель, определяющий расстояние до отражающего объекта по известной длине волны колебаний и измеренной величине фазового сдвига между отраженным сигналом и сигналом генератора электромагнитных колебаний, при этом генератор электромагнитных колебаний соединен с первым входом направленного элемента, выход фазового детектора подключен к вычислителю, согласно предложенному изобретению в состав устройства дополнительно введены вторая линия передачи сигналов, конструктивно идентичная первой линии передачи сигналов и механически объединенная с ней, вспомогательный генератор гетеродина, синхронизированный по фазе с генератором электромагнитных колебаний и отличающийся от него по частоте на ΔF=10...1000000 кГц, первый и второй коммутаторы, синхронно переключающие каналы передачи электрического сигнала с частотой выше, чем 2ΔF, блок управления коммутаторами, управляющий процессом переключения каналов передачи электрического сигнала в коммутаторах, смеситель сигнала, первая и вторая схемы восстановления сигнала, а в качестве фазового детектора использован низкочастотный фазовый детектор, работающий на частоте ΔF, при этом на одном из концов второй линии передачи сигналов рядом с излучателем антенны первой линии передачи сигналов установлен замыкатель в виде фиксированного отражающего элемента, второй вход направляющего элемента соединен с первым коммутатором, который в свою очередь поочередно подключен либо к первой линии передачи сигналов с конца, противоположного тому концу, к которому подсоединена антенна, либо ко второй линии передачи сигналов с конца, противоположного тому концу, с которого установлен замыкатель, вход вспомогательного генератора гетеродина электрически соединен с выходом генератора электромагнитных колебаний, а выход - с первым входом смесителя сигналов, второй вход которого электрически соединен с выходом направленного элемента, выход смесителя сигналов электрически соединен со вторым коммутатором, который в свою очередь поочередно подключен либо ко входу первой схемы восстановления сигнала, либо ко входу второй схемы восстановления сигнала, выходы которых соответственно подключены к первому и второму входам фазового детектора.

В предпочтительном варианте реализации первого устройства в его состав дополнительно введены вспомогательный генератор гетеродина, синхронизированный по фазе с генератором электромагнитных колебаний и отличающийся от него по частоте на ΔF=10...1000000 кГц, а также первый и второй смесители сигналов, в качестве фазового детектора использован низкочастотный фазовый детектор, работающий на частоте ΔF, при этом вход вспомогательного генератора гетеродина электрически соединен с выходом генератора электромагнитных колебаний, а выходы - с первыми входами первого и второго смесителей сигналов, выход первого направленного элемента соединен с первым входом фазового детектора через первый смеситель сигнала, который своим вторым входом подключен к первому направленному элементу, а выходом - к фазовому детектору, выход второго направленного элемента соединен со вторым входом фазового детектора через второй смеситель сигнала, который своим вторым входом подключен ко второму направленному элементу, а выходом - к фазовому детектору.

В предпочтительном варианте реализации второго устройства первая и вторая схемы восстановления сигналов выполнены в виде аналого-цифровых преобразователей, формирующих цифровые отсчеты сигналов, поступающих к вычислителю.

Таким образом при контроле зазоров, например, между лопатками турбины и корпусом турбины, осуществляют измерение разности, фаз, по меньшей мере, между двумя электромагнитными колебаниями, одно из которых проходит по измерительному каналу длиной L_и=L_упси+L_ои+ΔL_и(t)+ΔL_и(f)+d, где L_упси - длина измерительного тракта устройства получения измерительного сигнала 10, содержащего генератор колебаний, соединительные, направленные и другие вспомогательные элементы, L_ои - длина измерительного тракта линии 5 связи, включая антенну 6, при нормальной температуре и неизмененной форме, ΔL_и(t) - изменение длины линии передачи сигналов измерительного канала за счет отличия температуры от нормальной, ΔL_и(f) - изменение длины линии передачи сигналов измерительного канала за счет изменения ее формы, d - расстояние 11 между антенной 6 и отражающим объектом 7, т.е. радиальный зазор, от генератора колебаний, через возможные вспомогательные элементы, линию передачи сигналов, антенну, среду распространения, т.е. пространство между антенной и поверхностью, до которой измеряется зазор, до отражающей поверхности и от нее обратно через среду распространения, антенну, линию передачи сигналов, возможные вспомогательные элементы к устройству сравнения фазы, в частности, путь, пройденный электромагнитными колебаниями по измерительному тракту от генератора до устройства сравнения фазы, а другое электромагнитное колебание, проходит по дополнительному вспомогательному опорному (реперному) каналу длиной L_o=L_упсио+L_oo+ΔL_o(t)+ΔL_o(f), где L_упсо - длина измерительного тракта устройства, в котором получают опорный (реперный) сигнал 14, содержащего генератор колебаний, соединительные, направленные и возможные другие вспомогательные элементы. L_oo - длина линии 16 передачи сигналов опорного канала при нормальной температуре и отсутствии воздействия вибраций, ΔL_и(t) - изменение длины опорного канала за счет отличия температуры от нормальной, ΔL_o(f) - изменение длины измерительного канала за счет изменения ее формы, конструктивно объединенному с измерительным каналом от генератора колебаний, через возможные вспомогательные элементы, линию передачи сигналов до расположенного на конце линии передачи сигналов отражателя 17 и от него обратно через линию передачи сигналов, возможные вспомогательные элементы к устройству 15 сравнения фазы (Фиг.3). При этом фаза сигнала, полученного по измерительному каналу, будет определяться выражением ϕ_и=4π(L_и=L_сифи+L_ои+ΔL_и(t)+ΔL_и(f)+d)/λ, а фаза сигнала, полученного по опорному каналу, выражением ϕ_o=4π(L_сифо+L_oo+ΔL_o(t)+ΔL_o(f))/λ. Поскольку устройства получения сигналов по опорному и измерительному каналам выполнены идентичными, имеется возможность разместить отражатель опорного канала максимально близко к излучающему раскрыву антенны измерительного канала (L_oo=L_ои), расположенному и закрепленному на поверхности, от которой измеряется радиальный зазор, а конструктивно линии передачи сигналов измерительного и опорного каналов объединены, идентичны и претерпевают одинаковые изменения длины (ΔL_o(t)=ΔL_и(t)) и формы (ΔL_o(v)=ΔL_и(v)) под воздействием температуры и вибрации, то изменение фазы электромагнитных колебаний, связанное с изменением длины пути, проходимого электромагнитными колебаниями по обоим каналам, за счет воздействия температуры или изменения формы линии передачи сигналов, будет одинаковое, а сигнал на выходе устройства сравнения фазы (например, фазового детектора) будет зависеть только от разности фаз измерительного и опорного каналов, Δϕ=ϕ_и-ϕ_о=4π(L_упси+L_ои+ΔL_и(t)+ΔL_и(f)+d-L_упси+L_oo+ΔL_o+ΔL_o(t)+ΔL_o(f))/λ=4πd/λ, т.е. от расстояния 11 до отражающего объекта.

В том случае, если опорный и измерительный каналы полностью идентичны, полученные по этим каналам сигналы при отсутствии радиального зазора, т.е. когда радиальный зазор равен нулю, будут иметь фазовый сдвиг (Δϕ_о) равный нулю. Если же длина опорного и измерительного каналов несколько отличаются, то величина фазового сдвига между сигналами, полученными по этим каналам при нулевом радиальном зазоре, будет иметь отличное от нуля значение, которое необходимо учитывать при определении истинного значения радиального зазора (d), используя выражение

d=λ(Δϕ₁-Δϕ_o+2πn)/4π.

Первый вариант предложенного устройства, реализующего предлагаемый способ (Фиг.4), содержит общий для измерительного и опорного каналов генератор электромагнитных колебаний 1, первый и второй направленные элементы 2 и 18, например, циркуляторы, измерительного и опорного каналов, первую линию 5 передачи сигналов и антенну 6 измерительного канала, вторую линию 16 передачи сигналов и отражатель 17 опорного канала, а также фазовый детектор 3, т.е. устройство сравнения фаз сигналов, получаемых по измерительному и опорному каналам, и вычислителя 19, определяющего расстояние до объекта с использованием измеренной разности фаз.

Сигнал с выхода генератора 1 подается на входы А (первые входы) направленных элементов 2 и 18 измерительного и опорного каналов соответственно. Вход В (второй вход) направленного элемента 2 подключен к одному концу линии 5 передачи сигналов измерительного канала, второй конец которой соединен с антенной 6, осуществляющей излучение электромагнитных колебаний в направлении отражающего объекта 7, до которого измеряется дальность, и прием отраженных от него колебаний, которые по линии передачи сигналов поступают на вход В (второй вход) направленного элемента 2 и с его выхода С (выход) на первый вход фазового детектора 3. На второй вход фазового детектора 3 поступает сигнал с выхода С (выхода) направленного элемента 18 опорного канала, полученный после прохождения сигнала от генератора электромагнитных колебаний 1 через вход А (первый вход) направленного элемента 18 на вход В (второй вход) этого элемента на один конец линии 16 передачи сигналов опорного канала, на втором конце которого расположен отражатель 17, отражающий электромагнитные колебания, которые по линии 16 передачи сигналов опорного канала поступают на вход В (второй вход) направленного элемента 18, с выхода С (выхода) которого подаются затем на второй вход фазового детектора 3. На выходе фазового детектора 3 формируется сигнал, пропорциональный разности фаз электромагнитных колебаний, поступивших с измерительного канала от направленного элемента 2, и электромагнитных колебаний, поступивших с опорного канала от направленного элемента 18, который поступает на вход вычислителя 19, определяющего значение величины расстояния d до отражающего объекта с использованием выражения d=λ(Δϕ-Δϕ_о+2πn)/4π, где λ - используемая длина волны электромагнитных колебаний, Δϕ - разность фаз между сигналами, полученными по измерительному и опорному каналам в процессе измерения, Δϕ_о - разность фаз между сигналами, полученными по измерительному и опорному каналам в процессе калибровки при расстоянии до отражающего объекта равном нулю, «2πn» - стандартный «остаток», используемое при вычислении фазовых сдвигов при помощи фазовых детекторов, при этом n=0, 1, 2, ... - целое число.

Значение сигнала на выходе высокочастотного фазового детектора описанного устройства, работающего на несущей частоте, пропорционально синусу расстояния до отражающего объекта. В случае измерения неизменного или медленно изменяющегося расстояния для усиления и нормирования сигнала с выхода фазового детектора требуется применение аналоговых усилителей постоянного тока, которые обладают низкой временной и температурной стабильностью, что снижает точность производимых измерений.

Повысить точность измерения разности фаз и соответственно расстояния до объекта можно при использовании низкочастотных фазовых детекторов, которые обладают более высокими параметрами и могут быть реализованы с использованием цифровой обработки сигналов. Для снижения частоты сигналов, поступающих на вход фазового детектора должен использоваться вспомогательного генератор 20, синхронизированный по фазе с основным генератором электромагнитных колебаний 1 и отличающийся от него по частоте на ΔF=10...1000000 Гц. Сигналы с выхода направленных элементов 2 и 18, например, циркуляторов опорного и измерительного каналов поступают на первые входы соответственно первого 22 и второго 21 смесителей, которые формируют сигналы разностных частот, поступающих затем на первый и второй входы низкочастотного фазового детектора.

Структурная схема второго варианта устройства, функционирующего в соответствии с приведенным описанием, представлена на Фиг.5. Сигнал с выхода генератора электромагнитных колебаний 1 поступает на входы А (первые входы) направленных элементов измерительного 2 и опорного 18 каналов, а также на вход синхронизации вспомогательного генератора 20, который также может быть синхронизирован по фазе с генератором электромагнитных колебаний 1 с использованием низкочастотного сигнала синхронизации генератора электромагнитных колебаний 1. С входа В (второго входа) первого направленного элемента 2 сигнал поступает в линию 5 передачи сигналов измерительного канала и излучается антенной 6 в направлении отражающего объекта 7, до которого измеряется расстояние. Отраженный объектом 7 сигнал принимается антенной и передается по линии передачи сигналов на вход В (второй вход) направленного элемента 2, с выхода С (выхода) которого поступает затем на второй вход первого смесителя 22. На первый вход первого смесителя 22 поступает сигнал от вспомогательного генератора 20, синхронизированный по фазе с сигналом генератора электромагнитных колебаний 1 и отличающийся от него по частоте на 10...1000000 кГц. С выхода первого смесителя 22 сигнал с частотой 10...1000000 кГц и фазой, определяемой длиной пути пройденного сигналом, по измерительному каналу поступает на первый вход низкочастотного фазового детектора 23. На второй вход низкочастотного фазового детектора 23 с выхода второго смесителя 21 поступает сигнал частотой 10...1000000 кГц с фазой, определяемой длиной пути пройденного сигналом по опорному каналу. Сигнал на выходе второго смесителя 21 образуется за счет преобразования в смесителе 21 сигналов, поступающих на него с выхода вспомогательного генератора 20 и выхода С (выхода) второго направленного элемента 18 опорного канала. На выходе С (выходе) второго направленного элемента 18 сигнал формируется после прохождения сигнала от генератора электромагнитных колебаний 1 на вход А (первый вход) второго направленного элемента 18, с выхода В (второго выхода) второго направленного элемента 18 на вход линии передачи сигналов опорного канала 16 и по линии передачи до отражателя 17 и обратно через линию 16 на вход В (второй вход) второго направленного элемента. Сигнал опорного канала на входе низкочастотного детектора описывается выражением U_оп=U_o·sin(2πΔF+ϕ_1o), где ϕ_1o - сдвиг фазы обусловленный прохождением сигнала по измерительному каналу, а сигнал измерительного канала описывается выражением U_изм=U_o·sin(2πΔF+ϕ_ио+ϕ_d), где ϕ_ио - сдвиг фазы, обусловленный прохождением сигнала по измерительному каналу, ϕ_d - сдвиг фазы, обусловленный расстоянием до отражающего объекта. Сигнал с выхода низкочастотного фазового детектора 23 поступает на вход вычислителя 19, определяющего значение величины расстояния до отражающего объекта d с использованием выражения d=λ(Δϕ-Δϕ_o+2πn)/4π, где λ - используемая длина волны электромагнитных колебаний, Δϕ - разность фаз между сигналами, полученными по измерительному и опорному каналам в процессе измерения, Δϕ_о - разность фаз между сигналами, полученными по измерительному и опорному каналам в процессе калибровки при расстоянии до отражающего объекта равном нулю, «2πn» - стандартный «остаток», используемое при вычислении фазовых сдвигов при помощи фазовых детекторов, при этом n=0, 1, 2, ... - целое число.

Повышение точности измерения расстояния при воздействии на измерительную систему температуры и вибрации за счет повышения идентичности блоков измерительного и опорного каналов при одновременном сокращении количества используемых высокочастотных компонентов обеспечивают при поочередном подключении измерительной системы к линиям передачи сигналов опорного и измерительного каналов. Структурная схема второго варианта заявленного устройства, работающего с переключением каналов, приведена на Фиг.6. Сигнал с выхода генератора электромагнитных колебаний 1 поступает на вход вспомогательного генератора 20 для синхронизации (который может быть синхронизирован по фазе с генератором электромагнитных колебаний 1 с использованием низкочастотного сигнала синхронизации генератора электромагнитных колебаний 1), а также на вход А (первый вход) первого направленного элемента 2, с выхода В (второго выхода) которого подается на вход первого коммутатора 24, поочередно переключающего с высокой частотой F_п>2ΔF, определяемой сигналом, поступающим от блока 25 управления коммутаторами, этот сигнал либо на линию передачи сигналов измерительного канала, либо на линию передачи сигналов опорного канала. Прошедший по линии связи сигнал, отразившись от отражателя 17, если подключен опорный канал, или от отражающего объекта 7, если подключен измерительный канал, через первый коммутатор 24 поступает на вход В (второй вход) направленного элемента 2, с выхода С (выхода) которого подается затем на второй вход смесителя 26. На первый вход смесителя 26 поступает сигнал с вспомогательного генератора 20, который синхронизирован по фазе с генератором электромагнитных колебаний 1 и отстроен от него на частоту ΔF. С выхода смесителя 26 сигнал с частотой ΔF поступает на вход второго коммутатора 27, который синхронно с первым коммутатором 24 с частотой, определяемой блоком 25, переключает сигнал либо на вход первой схемы 28 восстановления сигнала опорного канала, либо на вход второй схемы 29 восстановления сигнала измерительного канала, с выходов которых восстановленные сигналы с частотой ΔF поступают на вход фазового детектора 23, формирующего сигнал, пропорциональный разности фаз, обусловленной различной длиной пути, проходимого сигналом по опорному и измерительному каналам.

Поскольку фазовые набеги, возникающие при прохождении сигнала по элементам 1, 2, 24, 20, 26, 27, одинаковы при обработке опорного и измерительного сигнала, ошибки, связанные с изменением линейных размеров и расстояний между указанными элементами данного устройства за счет воздействия температуры и других факторов, не сказываются на точности определения расстояния до отражающего объекта.

Сигнал с выхода фазового детектора 23 поступает на вход вычислителя 19, который определяет расстояние до объекта.

Частота сигнала, поступающего с выхода фазового детектора ΔF, ниже, чем частота переключения коммутаторов ΔF_п и удовлетворяет условию F_п>2ΔF, а ее значение находится в диапазоне 20...2000000 кГц, для которого различными фирмами производится широкая номенклатура аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Поэтому вместо первой и второй схем 28 и 29 восстановления сигналов можно использовать АЦП, а дальнейшую обработку сигналов, включая и фазовое детектирование, проводить в цифровой форме. При этом цифровое устройство (вычислитель 19) может выполнять как фазовое детектирование, так и вычисление расстояния до объекта.

Предложенное изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения зазоров между деталями машин и механизмов. Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении точности измерения расстояний между элементами машин и механизмов в процессе их функционирования при воздействии на элементы измерительного оборудования температуры и вибрации. Устройство измерения зазоров между деталями машин и механизмов по первому варианту своей конструктивной реализации содержит генератор электромагнитных колебаний, первый направленный элемент, первую линию передачи сигналов, соединенную с антенной, фазовый детектор, вычислитель, второй направленный элемент и вторую линию передачи сигналов, конструктивно идентичную первой линии передачи сигналов и механически объединенную с ней, при этом на конце второй линии передачи сигналов установлен замыкатель в виде фиксированного отражающего элемента. В устройстве по второму варианту своей конструктивной реализации в отличие от первого варианта устройства исключен второй направленный элемент и введены два управляемых коммутатора, обеспечивающих поочередное переключение генератора электромагнитных колебаний то к первой линии передачи сигналов, то - ко второй. Описанные устройства реализуют соответствующий способ измерения зазоров между деталями машин и механизмов. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения зазоров между деталями машин и механизмов, заключающийся в облучении электромагнитными колебаниями объекта от антенны, совмещенной с внутренней поверхностью другого объекта, между которыми измеряют искомый зазор, приеме отраженных от облучаемого объекта колебаний, измерении фазового сдвига Δϕ между принятым и излученным колебаниями, обусловленного временем прохождения колебаний от антенны до облучаемого объекта и обратно, и определении зазора d между контролируемыми объектами, отличающийся тем, что дополнительно производят измерение фазового сдвига между полученным по измерительному каналу сигналом, проходящим путь от генератора электромагнитных колебаний, через первый направленный элемент, через первую линию передачи сигналов, через антенну, через среду распространения сигнала между антенной и отражающей поверхностью, до которой измеряется зазор, и обратно к фазовому детектору, и сигналом, полученным по опорному каналу, проходящим путь от генератора электромагнитных колебаний, через второй направленный элемент, через вторую линию передачи сигналов до расположенного на конце нее замыкателя в виде фиксированного отражающего элемента, и обратно к фазовому детектору, причем вторая линия передачи сигналов, входящая в состав опорного канала, имеет параметры и длину, аналогичные первой линии передачи сигналов, входящей в состав измерительного канала, и механически объединена с ней так, что элементы измерительного и опорного каналов подвергаются одинаковым воздействиям температуры и вибрации, зазор d между контролируемыми объектами определяют при помощи фазового детектора как d=λ(Δϕ₁-Δϕ_о+2πn)/4π, где λ - длина волны колебаний, Δϕ₁ - фазовый сдвиг между сигналами опорного и измерительного каналов, полученными при выполнении измерений, Δϕ_о - фазовый сдвиг между сигналами опорного и измерительного каналов, полученными в процессе калибровки измерительной системы при нулевой дальности до отражающего объекта.2. Устройство измерения зазоров между деталями машин и механизмов, содержащее генератор электромагнитных колебаний, первый направленный элемент, первую линию передачи сигналов, соединенную с одного своего конца с антенной, совмещенной с внутренней поверхностью объекта, удаленного от поверхности другого объекта, между которыми измеряют зазор, фазовый детектор, вычислитель, определяющий расстояние до отражающего объекта по известной длине волны колебаний и измеренной величине фазового сдвига между отраженным сигналом и сигналом генератора электромагнитных колебаний, при этом генератор электромагнитных колебаний соединен с первым входом первого направленного элемента, второй вход которого подключен к первой линии передачи сигналов с конца, противоположного тому концу, к которому подсоединена антенна, выход первого направленного элемента соединен с первым входом фазового детектора, выход которого подключен к вычислителю, отличающийся тем, что в состав устройства дополнительно введены второй направленный элемент и вторая линия передачи сигналов, конструктивно идентичная первой линии передачи сигналов и механически объединенная с ней, при этом первый вход второго направленного элемента подключен к генератору электромагнитных колебаний, а второй вход - к одному из концов второй линии передачи сигналов, на другом конце которой рядом с излучателем антенны первой линии передачи сигналов установлен замыкатель в виде фиксированного отражающего элемента, выход второго направленного элемента соединен со вторым входом фазового детектора.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в состав устройства дополнительно введены вспомогательный генератор гетеродина, синхронизированный по фазе с генератором электромагнитных колебаний и отличающийся от него по частоте на ΔF=10...1000000 кГц, а также первый и второй смесители сигналов, в качестве фазового детектора использован низкочастотный фазовый детектор, работающий на частоте ΔF, при этом вход вспомогательного генератора гетеродина электрически соединен с выходом генератора электромагнитных колебаний, а выходы - с первыми входами первого и второго смесителей сигналов, выход первого направленного элемента соединен с первым входом фазового детектора через первый смеситель сигнала, который своим вторым входом подключен к первому направленному элементу, а выходом к фазовому детектору, выход второго направленного элемента соединен со вторым входом фазового детектора через второй смеситель сигнала, который своим вторым входом подключен ко второму направленному элементу, а выходом к фазовому детектору.4. Устройство измерения зазоров между деталями машин и механизмов, содержащее генератор электромагнитных колебаний, направленный элемент, первую линию передачи сигналов, соединенную с одного своего конца с антенной, совмещенной с внутренней поверхностью объекта, удаленного от поверхности другого объекта, между которыми измеряют зазор, фазовый детектор, вычислитель, определяющий расстояние до отражающего объекта по известной длине волны колебаний и измеренной величине фазового сдвига между отраженным сигналом и сигналом генератора электромагнитных колебаний, при этом генератор электромагнитных колебаний соединен с первым входом направленного элемента, выход фазового детектора подключен к вычислителю, отличающийся тем, что в состав устройства дополнительно введены вторая линия передачи сигналов, конструктивно идентичная первой линии передачи сигналов и механически объединенная с ней, вспомогательный генератор гетеродина, синхронизированный по фазе с генератором электромагнитных колебаний и отличающийся от него по частоте на ΔF=10...1000000 кГц, первый и второй коммутаторы, синхронно переключающие каналы передачи электрического сигнала с частотой выше, чем 2ΔF, блок управления коммутаторами, управляющий процессом переключения каналов передачи электрического сигнала в коммутаторах, смеситель сигнала, первая и вторая схемы восстановления сигнала, а в качестве фазового детектора использован низкочастотный фазовый детектор, работающий на частоте ΔF, при этом на одном из концов второй линии передачи сигналов рядом с излучателем антенны первой линии передачи сигналов установлен замыкатель в виде фиксированного отражающего элемента, второй вход направляющего элемента соединен с первым коммутатором, который в свою очередь поочередно подключен либо к первой линии передачи сигналов с конца, противоположного тому концу, к которому подсоединена антенна, либо ко второй линии передачи сигналов, с конца, противоположного тому концу, с которого установлен замыкатель, вход вспомогательного генератора гетеродина электрически соединен с выходом генератора электромагнитных колебаний, а выход - с первым входом смесителя сигналов, второй вход которого электрически соединен с выходом направленного элемента, выход смесителя сигналов электрически соединен со вторым коммутатором, который в свою очередь поочередно подключен либо ко входу первой схемы восстановления сигнала, либо ко входу второй схемы восстановления сигнала, выходы которых соответственно подключены к первому и второму входам фазового детектора.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что первая и вторая схемы восстановления сигналов выполнены в виде аналого-цифровых преобразователей, формирующих цифровые отсчеты сигналов, поступающих к вычислителю.