Устройство для измерения динамических параметров элементов вращающихся объектов Советский патент 1983 года по МПК G01D5/12 

Изобретение относится к информационно-иэмерительной технике и может быть использовано для измерения динамических параметров iдавления, деформаций элементов вращающихся объектов - роторов электрических машин, газотурбинных двигателей, цен трифуг и т.п. - с помощью бесконтакт ных токосъемников трансформаторного типа и резистивного преобразова теля, расположенного на контролируемом элементе вращающегося объекта. Известно устройство для измерения динамических параметров элементов вращающихся объектов с использование бесконтактных токосъемников трансформаторного типа и резистивных преобразователей, располагаемых на вра щающемся объекте. В известном устройстве питание измерительной цепи осуществляется переменным током высокой частоты, для чего на вращающем ся объекте располагают элементы эле троники, осуществляющие выпрямление и сглаживание переменного напряжения 1. Недостатком данного устройства является невозможность одновременного обеспечения работоспособности при высоких температурах окружающей среды и широком частотном диапазоне контролируемого параметра. Это объя няется тем, что устройства, имеющие выпрямители и фильтры на вращающемс объекте, работоспособны только в температурном диапазоне работы этих элементов, который не превышает 130 150°С, а измерения на несущей часто те имеют узкий частотный диапазон измерения, так как токосъемные устройства трансформаторного типа на высокой частоте, работают как воздуш ные трансформаторы, имеющие большие индуктивности рассеяния. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее неинв,ертирующий усилитель постоянного тока, генератор прямоугольного напряжения тензометрический мост, регистрирующий блок, передающий токосъемник трансформаторного типа, содержаддий первую подвижную ое5мотку, а также первичную обмотку и обмотку обратной связи, первые выводы которых соединены между собой, причем свободный конец первичной обмотки соединен с общим проводом, а свободный конец обмотки обратной связи соединен с входом усилителя постоянного тока, к выходу которого Подключен, генера- тор, выход которого соединен с объединенными выводами первичной обмотки и обмотки обратной связи, передаюпоий токосъемник, содержащий вторую подвижную и неподвижную обмотки, при чем первая и вторая подвижные обмотки подключены к разным диагоналям тензометрического моста, а неподвижная обмотка соединена с входом регистрирующ,его блока f 2. Недостатком известного устройства является сложность его практического использования и невысокая точность измерения..Это объясняется тем, что измерительная цепь содержит тензометрический мост, в плечах которого включены четыре одинаковых тензорезистора. При измерении, например, динамических деформаций в заданной точке детали вращающегося узла один из тензорезисторов наклеивается в выбранной точке, а остальные наклеиваются на недеформируемых участках вращающегося объекта. При этом возникает затруднение в отыскании недеформируемых участков на вращающемся объекте, причем для сохранения электрического баланса тензометрического моста в процессе работы температурный режим ЭТОГО участка должен соответствовать температурному режиму в контролируемой зоне. Эти условия применения известного устройства на практнке не всегда выполнимы, особенно при многоканальном измерении динамических параметров вращающихся объектов, когда число тензометрических мостов соответствует числу измерительных каналов. Кроме того, практически недеформируемых участков на вращающемся объекте нет и можно говорить лишь о более или менее деформируемых участках,. Это значит, что тензорезисторы всех плеч подвергаются деформациям в процессе измерения. Разбаланс тензометрического моста в результате этих деформаций приводит к возникновению ложного сигнала в канале регистрации и наложению этого сигнала на полез нь1й, что осложняет процесс измерения и уменьшает его точность. Помимо этого, большое количество электрических элементов, а именно четырех тензорезисторов в каждой измерительной цепи, а также четырех соединительных проводов, связывающих тензометрический мост с подвижными обмотками передающего и питаю-щего токосъемников, располагаемых на вращающемся объекте в условиях воздействия вибраций, ускорений, температур и т.д.,.значительно снижает надежность функционирования устройства в целом. Цель изобретения - повышение точности измерения и надежности устройства . Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения динамических параметров элементов вращающихся объектов, содержащее усилитель постоянного тока, генератор,, тензорезистор, регистрирующий . питающий токосъемник трансформатор ного типа, содержащий первую подвиж. ную обмотку, а также первичную обмотку и обмотку обратной ев язи, первые выводы йоторых соединены между собой, конец первичной обмотки соединен с общим проводом, а конец обмотки обратной связи соединен с входом усилителя постоянного тока, к выходу которого . подключен генератор, выход которого соединен с объединенными выводами первичной обмотКи и обмотки обратной связи, передающий токосъемник трансформаторного типа,содержащий вторую подвижную и неподвижную обмотки, вве дены дополнительный усилитель постоя ного тока и компенсирующая обмотка, расположенная в статорной части nepe дающего токосъемника, причем концы неподвижной и начало компенсирующей обмоток соединены с общим проводом, а начало неподвижной обмотки подключено к входу дополнительного усилителя постоянного тока, выход кото рого соединен с входом регистрирующего блока и концом компенсирующей обмотки, при этом первая и втора подвижные обмотки соединены последовательно с тензорезистором и образую замкнутый контур. На чертеже приведена блок-схема устройства, Устройство для измерения динамиче .ких параметров элементов вращающихся объектов содержит питающий токосъемник 1 трансформаторного типа, содерж щий первичную оЬмотку 2, обмотку 3 обратной связи; первую подвижную обмотку 4, неинвертирующнй усилитель. 5 постоянного тока, генератор 6 прямоугольного напряжения, передающий ток съемник 7 трансформаторного типа, со держащий вторую Подвижную обмотку 8, неподвижную обмотку 9 и компенсирующую обмотку 10, тензорезистор 11, расположенный на вращающемся объекте 12, второй неинвертирующий усилитель 13 постоянного тока и регистрирующий блок 14. Устройство для измерения динамических параметров, элементов вращающихся объектов работает следующим образом. Генератор б прямоугольного напряжения, нагруженный на первичную обмо ку 2, вызывает в ней ток. Обмотки 2 ИЗ, намотаны бифилярно, имеют равно число витков, а соответственно, и индуктив.ности. В связи с этим напряжение обратной связи, подаваемое на вход усилителя 5 постоянного тока, всегда равно падению напряжения на распределенном активном сопротивлении первичной обмотки 2. Усилитель 5 постоянного тока имеет единичный коэффициент усиления по напряжений. Следовательно, напряжение на его вы/ходе равно входному, и в контуре, . образованном генератором 6 прямоугольного напряжения, первичной обмот кой 2 и выходом усилителя 5 постоянного тока, происходит взаимная компенсация двух напряжений падения напряжения на распределенном активном сопротивлении первичной обмотки 2 и напряжения на выходе усилителя 5 постоянного тока. При достаточно малом внутреннем Сопротивлении генератора 6 прямоугольного напряжения ток первичной обмотки 2 будет линейным в пределах каждого полупериода, а напряжение, индуктируемое в первой подвижной обмотке 4, будет повторять по форме напряжение генератора б прямоугольного напряжения. Длительность периода следования прямоугольного напряжения выбирается заведомо больше длительности периода низшей граничной частоты контролируемого частотного диапазона динамического параметра. Электрический ток, возникающий в контуре, образов анном первой и второй подвижными обмотками 4, 8 и тензорезистором 11, индуктирует напряжение в неподвижной обмотке 9, кото- рое поступает на вход второго неинвертирующего усилителя 13 постоянного тока, имеющего коэффициент усиления значительно больший единицы.- Напряжение,возникающее на выходе усилителя 13 постоянного тока, вызывает ток в компенсирующей обмотке 10. При указанной разметке концов обмоток 9 и 10 магнитный поток, создаваемый током в компенсирующей обмотке 10, направлен встречно магнитному потоку, создаваемому током во второй подвижной обмотке 8, и при достаточно большом коэффициенте усиления по напряжению усилителя 13 постоянного тока, происходит практически полная взаимная компенсация этих потоков. Напряжение же на выходе усилителя 13 постоянного тока точно повторяет по форме напряжение на зажимах второй подвижной обмотки 8, т.е. является прямоугольным. Воздействие контролируемого динамического параметра на тензорезистор 11 вызывает модуляцию протекающего lio нему тока. Этот ток протекает по второй подвижной обмотке 8 и описанным способом вызывает появление сигнала на выходе усилителя 13 постоянного .тока, который затем поступает на регистрирующее устройство. Передающий токосъемник 7 и усилитель 13 постоянного тока образует схему для гальванической развязки. электрических цепей, способную осуществлять неискажающую передачу электрических сигналов через трансформаторную цепь.

Применение схемы для гальванической развязки обусловлено следующей причиной. Ток, протекающий по тензорезистору 11 и второй подвижной обмотке 8, имеет прямоугольную форму. Поэтому если в качестве передающего токосъемника 7 использовать обычный трансформатор с подвизкной и неподвижной обмотками, то во вторичной цепи будет наблюдаться интенсивный переходный процесс, вызываемый скачкообразным изменением направления Тока во второй подвижной обмотке 8. Длительность этого процесса может бь1ть соизмеримой с длительностью Периода прямоугольного напряжения, действующего в измерительной цепи. Это обстоятельство не позволяет эффективно выделить полезный сигнал на выходе передающего токосъемника 7. Применение же схемы для гальванической развязки обеспечивает неискажакяцую передачу электрических сигналов из первичной во вторичную цепь трансформатора.

Кроме того, предлагаемая схема позволяет свести практически к нулю значение индуктивности второй подвижной обмотки 8, чем обеспечивается более широкий частотный диапазон

измерения по сравнению с известнЫм устройством.

Отсутствие в устройстве тензометрического моста в значительной степени упрощает его эксплуатацию, так как не требуется размещения на вращающемся объекте недеформируемых тензорезисторов..Это обстоятельство тем существенней, чем меньше габариты вращающегося объекта и сложнее его внутренние тепловые процессы. Особое преимущество устройство имеет в случае многоканального варианта. Кроме этого, отсутствие недеформируемых тензорезисторов снижает уровень помех в измерительном тракте, а. следовательно, повышает точность измерения. Уменьшение в четыре раза количества тензорезисторов и в два раза количества соединительных проводов, располагаемых на вращающемся объекте, значительно повышает надежность функционирования устройства.

Верхняя граница температурного диапазона применения устройства ограничена точкой Кюри материала магнитопровода токосъемника и может достигать 300-400 0.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ВРАЩАЮЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ, содержащее ус литель постоянного тока, генератор тензорезистор, регистрирующий блок питающий токосъемник трансформаторного типа, содержащий подвижную обмотку, а.также первичную обмотку и обмотку обратной связи, первые выводы, которых соединены между собой, конец первичной обмотки соединен с общим проводом, а конец обмотки обратной связи соединен с входом усилителя постоянного тока, к выходу которого подключен генератор, выход которого соединен с объединенными выводами первичной обмотки и обмотки обратной связи, передающий токосъемник трансформаторного типа, содержащий вторую подвижную и неподвижную обмотки, отличающее с я тем, что, с целью повышения точности измерения и надежности в него введены дополнительный усилитель постоянного тока и компенсирующая обмотка, расположенная в статорной части передающего токосъемника , причем конец неподвижной и начало компенсирующей обмоток соединены с общим проводом, а начало неподвижной обмотки подключено к входу дополнительного усилителя постоянного тока, выход которого соеди-g ней с входом регистрирующего блока и Концом компенсирующей обмотки, при этом первая и вторая подвижные обмотки соединены последовательно с тензорезистором и образуют замкнутый контур.: