Устройство для измерения радиального зазора в турбомашинах Советский патент 1991 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при бесонтактном атвоматическом контроле радиальных зазоров в турбомашинах в процессе их сборки, испытаний и эксплуатации.

Целью изобретения является повышение точности измерений путем импульсного питания токовихревого датчика зазора и уменьшения динамических погрешностей, вызванных переходными процессами в датчике.

На фиг.1 представлена €лок-схемэ устройства; на фиг.2 - временная диаграмма, поясняющая его работу.

Устройство (фиг.1) содержит датчик 1 синхронизации, первый формирователь 2 импульсов, первый RS-триггер З, D-тригге- ры 4 и 5, элемент И-НЕ 6, первый и второй элементы И 7, 8, генератор 9 импульсов, первый, второй и третий счетчики 10 - 12 импульсов.

Устройство содержит также компаратор 13, четвертый и пятый счетчики 14 и 15 импульсов, мультиплексор 16, переключатель 17 режима, включающий, в свою очередь, четыре пары ключей, в каждой из которых один ключ нормально замкнут, другой - нормально разомкнут, второй и третий RS-триг- геры 18 и 19, третий и четвертый элементы И 20, 21, шестой, седьмой, восьмой и девятый счетчики 22 - 25 импульсов, второй формирователь 26 импульсов, десятый счетчик 27 импульсов, третий формирователь 28 импульсов.

Устройство включает в себя также токо- вихревой датчик 29 зазора, устанавливаемый в зоне контроля радиального зазора, ключевой элемент 30, источник 31 постоянного напряжения, блок 32 дифференцирования тока, блок 33 выборки-хранения, аналого-цифровой преобразователь 34, запоминающий блок 35, вычислительный блок 36, выходную шцну 37 данных, входные шины 38 - 42 данных, управляющие шины 43 и 44, четвертый формирователь 45 импульсов.

Датчик 1 синхронизации установлен в

зоне размещенной на валу контролируемой турбомашины синхронизирующей метки 46. Контролируется зазор между лопатками ротора 47 турбомашины и статором 48 Турбо- машины. Вход первого формирователя 2

импульсов соединен с датчиком 1 синхронизации, формирователя 2 соединен с выходами синхронизации D-триггеров 4, 5 и первый входом элемента И-НЕ 6. Вход установки единицы первого RS-триггера З соединен с первой входной шиной 43 управления, выход этого триггера - с информационным входом первого D-григгера 4 Выход первого D-триггера 4 соединен с информационным входом вторго D-триггера 5

и с первым входом первого элемента И 7. Прямой выход второго D-триггера 5 соединен с вторым входом элемента И-НЕ б, а его инверсный выход - с вторым входом первого элемента И 7. Выход элемента И-НЕ 6

соединен с счетным входом первого счетчика 10, входами сброса шестого 22, седьмого 23 и восьмого 24 счетчиков и с входами третьей пары ключей переключателя 17 режима.

Выход первого элемента И 7 соединен с входом синхронизации десятого счетчика 27 и с первым входом второго элемента И 7. Выход первого счетчика 10 соединен с первым входом мультиплексора 16. Второй

вход мультиплексора 16 соединен с первой входной шиной 38 данных. Выход мультиплексора 16 соединен с информационным входом восьмого счетчика 24 Выход второго элемента И 8 соединен со счетными входами второго 11.и третьего 12 счетчиков. Информационный вход второго счетчика 11 соединен с второй входной шиной 38 данных, выход переноса этого счетчика соединем с его входом синхронизации и счетным входом четвертого счетчика 14.

Выход четвертого счетчика 14 соединен с информационными входами шестого счетчика 22 и первым входом компаратора 13. Второй вход компаратора 13 соединен с третеьй входной шиной 40 данных. Информационный вход третьего счетчика 12 соединен с четвертой входной шиной 41 данных. Выход переноса третьего счетчика 12 боединен с его входом синхронизации и со счетным входом пятого счетчика 15.

Выход пятого счетчика 15 соединен с инфорамционным входом седьмого счетчика 23. выход компаратора 13 соединен с адресным входом мультиплексора 16 и с управляющим входом переключателя режима 17. Выходы первой пары ключей переключателя режима соединены с входом установки единицы второго RS-триггера 18. выходы второй пары ключей соединены со счетным входом десятого счетчика 27 и с входами второго 26 и третьего 28 формирователей импульсов. Выход нормально замкнутого ключа третьей пары переключателя

17режима соединен с входом нормально замкнутого ключа четвертой пары переключателя, выход нормально разомкнутого ключа третьей пары соединен г. входом нормально разомкнутого ключа первой па- ры. Выходы ключей четвертой пары соединены с входом установки единицы третьего RS-триггера 19. Выход третьего RS-триггера

19 соединен : первым входом четвертою элемента И 21. выход этого элемента соеди- йен со счетным входом седьмого счетчика

23выход переноса седьмого счетчика 23 соединен с входом синхронизации этого счетчика, со счетным входом девятого счетчика 25, с входами нормально замкнутого ключа первой пары и нормально разомкнутого ключа второй пары переключателя 17 режима. Выход перенося девятою счетчика

25 соединен с его входом синхронизации и с входом установки нуля третьего RS-триг- гера 19. информационный вход девятого счетчика 25 соединен с четвертой входной шиной 41 данных

Выход второго RS-триггера 18 соединен с первым входом третьего элемента И 20. Выход последнего соединен со счетным входом шестого счетчика 22, выход переноса этого счетчика соединен с его входом синхронизации, с входом нормально замкнутого ключа второй пары переключателя 17 режима и со счетным входом восьмого счетчика 24. Выход переноса восьмого счетчика

24соединен с его входом синхронизации, с входом установки нуля второго RS-триггера

18и с входов нормально разомкнутого ключа четвертой пары переключателя 17 режима. Выход генератора 9 импульсов соединен с вторыми входами второго, третьего и четвертого элементов И.

Информационный вход десятого счетчика 27 соединен с пятой входной шиной 42 данных, информационный вход этого счетчика соединен с адресным входом запоминающего блока 35, выход переноса - с входом четвертого формирователя 45 импульсов. Выход формирователя подключен к входам установки нуля первого RS-триггера З и первого и второго D-триггеров 4 и 5.

Вторая входная шина 44 управления соединена с входами сброса первого, второго, третьего, четвертого, пятого, девятого и десятого счетчиков. Источник 31 постоянного напряжения, ключевой элемент 30, катушка датчика 29 зазора и блок 32 дифференцирования тока образуют замкнутую последовательную электрическую цепь.

Управляющий вход ключевого элемента 30 соединен с выходами второго формирователя 26 импульсов, выход блока 32 дифференцирования тока соединен с входом блока 33 выборки-хранения, управляющий вход последнего соединен с входом третьего формирователя 28 импульсов. Выход блока 33 выборки-хранения соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 37, а его выход соединен с входами вычислительного блока 36 и запоминающего блока 35. Выход вычислительного блока подключен к выходной шине 37 данных.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом цикла измерения на входных шинах данных устанавливается следующая информация: шина 42 - число измерений МИэм. которое будет получено при однократном запуске устройства К. где Nn - число лопаток на данном колесе ротора турбомашины; К - число отсчетов, необходимое для восстановления огибающей выходного сигнала датчика зазора с заданной точностью при перемещении лопатки в зоне чувствительности датчика; шина 38 - число К, шина 40 - пороговое значение кода периода вращения вала турбомашины, при котором необходимо изменить режим измерения устройства; ши360°

IT-. где р - угол перена 39 - величина

мещения лопатки колеса турбомашины в зоне чувствительности датчика зазора; шина 41 - число Nn.

Установка устройства в исходное положение производится подачей на входную шину 44 управления импульсного сигнала

Сброс. При этом в счетчики 11, 12, 15 записывается информация с входных шин данных, подключенных к их информационным входам. Счетчики 10, 14, 15, 27 и триггеры 3, 4, 5, 18. 19 устанавливаются в нулевое состояние. Исходное состояние счетчиков 22 - 24 - произвольное.

Под воздействием сигналов с датчика 1 синхронизации на выходе формирователя 2 возникают импульсы Q 2 (фиг.2) в моменты времени прохождения над датчиком синхронизирующей метки 46.

Измерительный цикл в устройстве начинается по сигналу Пуск Q 43 (фиг.2), поступающему по входной шине 43 управления. Этот сигнал переводит триггер 3 в единичное состояние. Первый импульс с выхода формирователя 2, следующий за импульсом Пуск, устанавливает в единичное состояние триггер 4, а второй импульс с формирователя 2 устанавливает в единичное состояние триггер 5. В результате на выходе элемента И 7 сформируется импульс Q 7 (фиг.2), равный по длительности периоду вращения ротора.

Сигнал Q 7 обеспечивает прохождение импульсов с генератора 9 импульсов на счетные входы счетчиков 11 и 12 и блокировку счетчиков 22 - 24, которые на время действия сигнала Q 7 устанавливаются в нулевое состояние.

Деление частоты генератора 9 в счетчике 11 на коэффициент

360

77- позволяет к

концу интервала Q 7 накопить в счетчике 14 код, равный числу импульсов генератора 9, приходящийся на интервал между двумя измерениями зазора при данной частоте вращения ротора, т.е. код интервала дискретизации.

Сравнение этого кода с заданным на входной шине 40 осуществляется компаратором 13. Нулевой выходной сигнал компар- тора соответствует случаю, когда интервал дискретизации равен или больше заданного и определяет первый режим работы устройства. Единичный выходной сигнал компаратора 13 формируется при интервале дискретизации меньше заданного и определяет второй режим работы устройства. Деление в счетчике 12 поступающих с генератора 9 импульсов на число Nn лопаток колеса ротора обеспечивает формирование в счетчике 15 кода интервала следования лопаток под датчиком 24 зазора при данных оборотах ротора.

В режиме 1 цикл измерений зазоров завершается за один оборот ротора. Под воздействием нулевого выходного сигнала

компаратора 13 переключатель 17 режима переходит в состояние, показанное на фиг.1, а мультиплексор 16 обеспечивает передачу информации с шины 38 на информационный вход счетчика 24.

По окончании импульса Q 7 происходит разблокировка счетчиков 22 - 24, в результате чего в счетчики 22 и 23 переписывается содержимое счетчиков 14 и 15

0 соответственно, т.е. код интервала дискретизации и код периода следования лопаток, а в счетчик 24 - информация с входной шины 38 данных, т.е. число отсчетов на одну лопатку.

5Второй импульс (фиг.2) Q2 формирователя 2, пройдя через элемент И-НЕ 6 и замкнутые ключи третьей и четвертой пары переключателя 17 режимов устанавливает триггер 19 в единичное состояние. Это обес0 печивает прохождение импульсов генератора 9 на счетный вход счетчика 23, работающего в режиме вычитания.

В момент нулевого состояния счетчика 23 формируется импульс переноса Q23, ко5 торый осуществляет повторную перезапись содержимого счетчика 15 в счетчик 23 и повторение счета имплуьсов генератора 9. Кроме тог сигнал Q23 устанавливает триггер 18 в единичное состояние. Выходной

0 сигнал Q18 триггера 18 обеспечивает прохождение импульсов генератора 9 на счетный вход счетчика 22, работающего в режиме вычитания.

При нулевом состоянии счетчика 22

5 формируются импульсы переноса Q22, которыми осуществляется повторная запись содержимого счетчика 14 в счетчик 22 и запуск формирователей 26, 28 импульсов. Сигнал формирователя 26 на заданное время замы0 кает ключевой элемент 30, в результате в катушке датчика 29 источником 31 постоянного напряжения возбуждается ток.

5l f(p-e Г)

где т -п постоянная времени датчика:

L и R - соответственно индуктивность и активное сопротивление катушки датчика; 0t - время.

Первая производная тока l -рехр(-)

в момент замыкания ключевого элемента 30 (t - 0) максимальна, определяется индуктивностью датчика i м т- и, следовательно

содержит информацию о зазоре между лопаткой и датчиком. Сигнал, пропорциональный I м с выхода блока 32 дифференцирования тока фиксируется блоком 33 выборки-хранения, преобразуется в цифровую форму в АЦП 34 и запоминается в запоминающем блоке 35 по адресу, соответствующему номеру данного измерения, формируемому в счетчике 27.

Число импульсов, которые формирует счетчик 22, определяется предустановкой счетчика 24, т.е. числом К, установленным на входной шине 38 данных. При нулевом состоянии счетчика 24 на его выходе формируются импульсы переноса Q24, которые переводят триггер 18 в нулевое состояние

Таким образом, каждый импульс с выхода счетчика 23 вызывает К замыканий ключевого элемента 30, что соответствует К опросам датчика при прохождении каждой лопатки колеса в зоне чувствительности датчика-. Когда число импульсов Q23 со счетчика 23 достигает числа лопагок на колесе Мл. счетчик 25 устанавливается в нулевое состояние и формирует импульс переноса Q25, который переводит триггер 19 R нулевое состояние. При достижении числа выполненных опросов датчика (измерений) заданного количества Мшм счетчик 27 устанавливается в нулевое состояние и нэ его выходе формируется импульс переноса который, пройдя через Формирователь 45, сбрасывает триггер i 3, 4 и 5 и переводит устройство в состояние ожидания следующего сигнала Пуск.

Второй режим раСоты устройства используется при измерении зазоров на высокой частоте вращения ротора турбомашинн, когда быстродействия измерительного канала с датчиком зазора недостаточно для осуществления К измерения за время движения лопэтки в зоне чувствительности датчика. В этом режиме компаратор 13 после окончания импульса Q7 формирует сигнал единичного уровня, который переводит переключатель 17 режима в противоположное состояние и обеспечивает прохождение через мультиплексор 16 на информационный вход счетчика 24 псспедующую запись содержимого счетчика 10

В счетчике 10 хранится номер текущего измерительного оборота Ь и содержимое его изменяется в момент прохождения импульса с формирователя 2. Таким образом, при появлении на выходе формирователя 2 второго импульса Q2 с момента подачи сигнала Пуск формируется импульс на выходе элемента И-НЕ 6, который обеспечивает запись в счетчики 10 и 2 NT 1 и устанавливает в единичное состояние триггер 18.

В счетчики 22 и 23 к этому моме-нту, аналогично первому режиму, переписано содержимое счетчиков 14 и 15 соответственно. Единичный сигнал на выходе триггера 18

обеспечивает прохождение импульсов генератора 9 через элемент И 20 на счетный вход счетчика 22, работающего в режиме вычитания. Счетчик 22 через интервал дискретиза- ции формирует на выходе импульс переноса Q22, под воздействием которого счетчик 24 переходит в нулевое состояние и происходит повторная запись информации в счетчик 22 с выхода счетчика 14,

0Сигнал Q24 с выхода счетчика 24 сбрасывает триггер 18 и устанавливает триггер 19 в единичное состояние. Сигнал Q19 с выхода триггера 19 обеспечивает прохождение импульсов генератора 9 через элемент

5 И 21 на счетный вход счетчика 23. работающего в режиме вычитания. На выходе переноса счетчика 23 формируются импульсы Q23 с интервалом следования лопаток при данных оборотах ротора. Эти импульсы за0 пускают формирователь 26. который обеспечивает замыкание ключевого элемента 30 на заданное время, необходимое для возбуждения переходного процесса в измри- тельной цепи и фиксации сигнала,

5 пропорционального сигналу с выхода блока 32 дифференцирования тока в блоке 33 выборки хранения. Момент фиксации определяется импульсом с выхода формирователя 28

0Работа блоков 34 и 35 аналогична расe.f oiренной в первом режиме. После того, KdK счетчик 23 сформирует Мл импульсов, счетчик 25 устанавливается в нулевое состояние и на его выходе формируется импульс

5 переноса, который сбрасывает триггер 19 и производит повторную запись в счетчике 25 информации Мл с входной шины 41 данных. С приходом третьего импульса Q2 формирователя 2 в счетчики 10 и 24 записывается

0 число Мт - 2И, следовательно, импульсов Q24 на выходе счетчика 24 формируется З лдеожанным относительно Q2 на два интервала дискретизации, С момента возникновения импульса Q24 на выходе счетчика

5 24 процессы формирования импульсов Q19, Q23, Q25 и Q26 повторяются

Таким образом, при каждом последующем обороте вала турбомашины формируется группа импульсов, сдвинутая

0 относительно импульсов Q2 на интервал дискретизации, число импульсов в группе равно числу лопаток на колесе ротора, а интервал времени между импульсами пропорционален .угловому расстоянию между

5 лопатками. Процесс преобразования завершается после формирования К групп, т.е. через К + 1 оборот с момента подачи сигнала Пуск. При этом счетчик 27 устанавливается в нулевое состояние и сигнал Q27 сбрасывает триггеры 3-5,

После завершения первого или второго режима измерения вычислительный блок 36 выбирает из блока результаты К измерений, относящихся к лопатке с номером j. производит интерполяционную обработку полученных отсчетов и определяют истинное значение зазора j-й лопатки. Значения зазоров между торцами лопаток и статором выводятся на выходную шину 37 данных.

Формула изобретения 1. Устройство для измерения радиального зазора в турбомашинах, содержащее электромагнитный токовихревой датчик зазора, устанавливаемый в зоне контроля радиального зазора датчика синхронизации, три счетчика импульсов, блок выборки-хранения, первый RS-триггер, четыре формирователя импульсов, генератор импульсов, элемент И-НЕ, ключевой элемент, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено семью счетчиками импульсов, компаратором, вторым и третьим RS-триггерами. двумя D- триггерами, четырьмя элементами И, мультиплексором, переключателем режима. выполненным в виде четырех пар ключей, в каждой из которых один из ключей нормально замкнут, другой - нормально разомкнут, источником постоянного напряжения, блоком дифференцирования тока, аналого-цифровым преобразовате лем, вычислительным блоком, запоминающим блоком, двумя входными управляющими шинами, пятью входными шинами данных и одной выходной шиной данных, вход первого формирователя импульсов соединен с датчиком синхронизации, выход - с входами синхронизации D-триггеров и первым входом элемента И - НЕ, вход установки единицы первого RS- триггера соединен с первой входной шиной управления, выход - с информационным входом первого D-триггера, выход первого D-триггера соединен с информационным входом второго D-триггера и с первым входом первого элемента И, прямой выход второго D-триггера соединен с вторым входом элемента И-НЕ, инверсный выход -- с вторым входом первого элемента И, выход элемента И-НЕ, соединен со счетным входом первого счетчика, входами сброса шестого, седьмого и восьмого счетчиков и с входами третьей пары ключей переключателя режима, выход первого элемента И соединен с входом синхронизации десятого счетчика и с первым входом второгр элемента И, выход первого счетчика соединен с первым входом мультиплексора, второй вход мультиплексора соединен с первой входной шиной

данных, выход мультиплексора - с информационным входом восьмого счетчика, выход второго элемента И - со счетными входами второго и третьего счетчиков, информационный вход второго счетчика - с второй входной шиной данных, выход переноса этого счетчика - с его входом синхронизации и счетным входом четвертого счетчика, выход четвертого счетчика - с информаци0 онным входом шестого счетчика, и первым входом компаратора, второй вход компаратора соединен с третьей входной шиной данных, информационный вход третьего счетчика - с четвертой входной шиной дан5 ных, выход переноса третьего счетчика - с его входом синхронизации и со счетным входом пятого счетчика, выход пятого счетчика - с информационным входом седьмого счетчика, выход компаратора - с адресным

0 входом мультиплексора и с управляющим входом переключателя режима, выходы первой пары ключей переключателя режима соединены с входом установки единицы второго RS-триггера, выходы второй пары

5 ключей - со счетным входом десятого счетчика и с входами второго и третьего формирователей импульсов, выход нормально замкнутого ключа третьей пары переключателя режима соединен с входом нормально

0 замкнутого ключа четвертой пары, выход нормально разомкнутою ключа третьей пары - с входом нормально разомкнутого ключа первой пары, выходы ключей четвертой пары соединены с входом установки едини5 ци третьего RS-триггера. выход третьего RS- триггера соединен с первым входом четвертого элемента И. выход этого элемента соединен со счетным входом седьмого счетчика, выход переноса седьмого СЧРТЧИ0 ка - с входом синхронизации этого счетчика, со счетным входом девятого счетчика, с входами нормально замкнутого ключа первой пары и нормально разомкнутого ключа второй пары переключателя режима, выход пе5 реноса девятого счетчика - с его входом синхронизации и с входом установки нуля третьего RS-триггера, информационный вход девятого счетчика соединен с четвертой входной шиной данных, выход второго

0 RS-триггера - с первым входом третьего элемента И, выход последнего соединен с счетным входом шестого счетчика, выход переноса этого счетчика - с его входом синхронизации, с входом нормально замкнуто5 го ключа второй пары переключателя режима и со счетным входом восьмого счетчика, выход переноса восьмого счетчика - с его входом синхронизации, с входом установки нуля второго RS-триггера и с входом нормально разомкнутого ключа четвертой

пары переключателя режима, информационный вход десятого счетчика - с пятой входной шиной данных, информационный выход-с адресным входом запоминающего блока, выход переноса десятого счетчика соединен с входом четвертого формирователя импульсов, выход которого соединен с входами установки нуля первого RS-тригге- ра. первого и второго D-триггеров, вторая входная шина управления соединена с входами сброса первого - десятого счетчиков, источник постоянного напряжения, ключевой элемент, катушка токовихревого датчика зазора и блок дифференцирования тока образуют последовательную замкнутую электрическую цепь, управляющий вход ключевого элемента соединен с выходом второго формирователя импульсов, выход

генератора импульсов подключен к вторым входам второго, третьего и четвертого элементов И, выход блока дифференцирования тока соединен с входом блока выборки-хранения, управляющий вход последнего - с выходом третьего формирователя импульсов, выход блока выборки-хранения - с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входами вычислительного блока и запоминающего блока, выход вычислительного блока подключен к выходной шине данных.

2. Устройство поп.Ч.отличающее- с я тем, что счетчики выполнены на основе

программируемых таймеров, подключенных к общей шине данных вычислительного блока, выполненного в виде микропроцессора.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при бесконтактном автоматическом контроле радиальных зазоров в турбомашинах в процессе их сборки, испытаний и эксплуатации. Целью изобретения является повышение точности измерений. Устройство может работать в двух режимах: с низкой и высокой частотой вращения ротора турбомашины. При работе с низкой частотой вращения осуществляются K измерений за время движения лопатки ротора 47 в зоне чувствительности датчика 29. Переключение режимов осуществляется автоматически с помощью переключателя 17 режима, управляемого сигналами компаратора 13. Управляющие сигналы формируются в результате обработки сигналов с выхода датчика 1 синхронизации и генератора 9 импульсов. Предварительная информация записывается с входных шин 38 - 42 данных. Результаты измерений формируются в замкнутой цепи, включающей источник 31 постоянного напряжения, ключевой элемент 30, токовихревой датчик 29 зазора, блок 32 дифференцирования тока, и записываются через блок 33 выборки-хранения, аналого-цифровой преобразователь 34 в запоминающий блок 35 и вычислительный блок 36, в котором обрабатываются по заданному алгоритму и выдаются на выходную шину 37 данных. Запуск устройства осуществляется по сигналам с управляющих входных шин 43, 44. Счетчики 10 - 12, 22 - 25, 27 выполнены на основе программируемых таймеров, подключенных к общей шине данных вычислительного блока 36. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.