Вихретоковое устройство для измерения зазора Советский патент 1992 года по МПК G01B7/00 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может применяться при измерении зазора в условиях воздействия на преобразователи неинформативного влияющего фактора, например, при контроле энергетических машин вихре- токовыми преобразователями в условиях изменения температуры окружающей среды. ,

Существуют вихретоковые устройства, осуществляющие контроль зазора в условиях изменения температуры. Например, преобразователь состоит из генератора, измерительного канала, опорного канала, регулируемого сопротивлением, дифференциальной (разностной) схемы и индикатора Недостатком такого устройства является наличие погрешности измерения при изменении температуры из-за разной температурной зависимости импедянсов

измерительного датчика и термосопротивления.

Наиболее близким по технической сущности является вихретоковое устройство для измерения зазора, состоящее из двух конструктивно идентичных вихретоковых преобразователей - измерительного и компенсационного. Устройство содержит генератор переменного напряжения, связанные с его выходом измерительный и компенсационный блоки с вихретоковыми преобразователями, подключенную к их выходам схему вычитания и индикатор.

Недостатком известного вихретокового устройства является недостаточная точность измерения из-за наличия температурной погрешности, связанный с тем, что во-первых, обмотки вихретоковых преобразователей имеют разные зависимости эквивалентных индуктивностей п активных сопротивлений от температуры (так как неы

возможно абсолютно точно их изготовить), а, во-вторых, при изменении температуры обьекта контроля вносятся дополнительные изменения во вторичном электромагнитном поле, воздействующем только на один измерительный преобразователь. Вследствие этого приходится непосредственно перед измерением производить подстройку нуля индикатора.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения за счет отстройки от мешающего воздействия влияющих факторов.

Эта цель достигается тем, что схема вычитания выполнена на операционном усилителе с регулируемым входным делителем, а устройство снабжено регулируемым источником постоянного напряжения, под- кпюченным к инвертирующему входу операционного усилителя через резистор, и схемой АРУ стабилизации максимального уровня сигнала, включенной между выходом схемы вычитания и индикатором.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема еихретокового устройства для измерения зазора; на фиг. 2 - пространственное расположение вихретоковых преобразователей устройства относительно объекта контроля; на фиг. 3 - графики напряжений в некоторых точках принципиальной схемы, изображенной на фиг. 1; на фиг. 4 - статическая функция преобразования зазора, снятая для точки Е схемы фиг. 1 для разных значений температуры; на фиг. 5 - статическая функция преобразования устройства для всех температур из диапазона возможных значений.

Вихретоковое устройство для измерения зазора содержит генератор 1 переменного напряжения, измерительный и компенсационный блоки 2,3. Измерительный блок 2 состоит из измерительной обмотки 4 вихретокового преобразователя, резонансной и разделительной емкостей 5,6, амплитудного детектора 7, состоящего из диода 8, резистора 9 и конденсатора 10. Компенсационный блок 3 собран аналогично и бостоит из компенсационной обмотки 11 вихретокового преобразователя, по возможности идентичной измерительной обмотке 4, резонансной и разделительной емкостей 12 и 13 и амплитудного детектора 14 на диоде 15, резисторе 16 и конденсаторе 17. Выходы блоков 2 и 3 соединены со входами схемы 18 вычитания, собранной на операционном усилителе 19 и резисторах 20-23 с номиналами Ri-Ri. Источник 24 постоянного напряжения U выполнен в виде подстроечного резистора 25 включенного между противоположными полюсами источника питания (на чертеже не показан). Резистор 20 номинала RS включен между источником 24 и инвертирующим входом операционного усилителя 19. Схема 27 автоматической регулировки усиления со стабилизацией максимального уровня (АПУ) входом подключена к схеме 18 вычитания, выходом - к индикатору 28. АРУ состоит из аналогового перемножителя 29, одним входом подключенного ко входу АПУ, пикового детектора 30, включенного между выходом АРУ и отрицательным входом интегратора 31 разности, собранного на операционном усилителе 32, резисторе 33 и конденсаторе

34, источника 35 опорного напряжения в виде подстроечного резистора 36, включенного первым и вторым выводами между положительным полюсом источника питания общей шиной. Третий вывод резистора 36

является выходом источника 35 опорного напряжения и подключается к положительному входу интегратора 31 разности, а выход интегратора 31 разности соединен со вторым входом аналогового перемножителя

29.

Сопротивления Ri-Rs выбираются таким образом, чтобы выполнялось соотношение

30

1 „ Ri +R3 1 1m

R2 R3 R R3( J

R5

где коэффициент К и потенциал U источника 24 постоянного напряжения определяются при настройке преобразователя на объект контроля и условия контроля

Рассмотрим пример конкретной реализации схемы фиг. 1 и ее настройки при измерении зазора Н между лопатками вращающейся турбины и защитным экраном в условиях изменения температуры от

20° до 300°С, как это изображено на фиг,2. Здесь 37 - корпус измерительного и компенсационного преобразователей,38 - лопатки вращающейся турбины (не показана), 39 - защитный экран.

До запуска турбины температура лопаток и окружающей среды равна комнатной (20°С). В этих условиях корпус 37 выставляется на номинальное расстояние Н0 (в примере Но 0,3 мм) до одной из лопаток

турбины и замеряются потенциалы Уюи Uao соответственно на выходе измерительного блока 2 (фиг. 1 точка Г)и на выходе компенсационного блока 3 (точка Д). При запуске турбины с течением времени температура

лопаток и окружающей среды повышается и достигает 300°С. В момент остановки турбины при темперагуреЗОО°С выставляется зазор И0 и замеряются потенциалы U;m и U2m в тех же точках Г и Д схемы Фиг 1 Коэффи.диент компенсации влияния температуры К определяется из соотношения

К (2), а потенциал источни- Uim-Uio

ка24

R5

U

Щ

(3), rfleU0 KUio-U2o(4)

Т.к. обмотки 4 и 11 конструктивно идентичны, то коэффициент К лежит в пределах К 0,5...2,0. Тогда ,если выбрать RI Рз Rs 10 к, R4 100 к, то для К 1 R2 10 к, для К 2 R2 200к, для К 0,5, R2 3,3 к. Поэтому резистор R2 выполнен переменным с номиналом 200 к и антилогарифмической шкалой регулировки.

Операционные усилители 19 и 32 представляют собой микросхемы 544УД2, перемножитель 29 выполнен на микросхеме К140МА1, переменный резистор 36 - 2,2 к, резистор 33-500 к, конденсатор 34- 1 мкФ, в качестве индикатора 28 взят осциллограф С1-112. Пиковый детектор 30 состоит из диода ГД508, резистора 1М и конденсатора 1 мкФ (на чертеже не показаны), причем параллельно включенные диод и резистор рас положены между входом и выходом пикового детектора 30, а конденсатор включен между выхо .ом детектора 30 и общей шиной.

Точная регулировка значений К и U осуществляется следующим образом.

1.Подать на резистор 9 (точку Г фиг. 1) и на резистор 16 (точку Д) соответственно напряжения (Uim-Uio) и (U2m-U2o).

2.Выставить резистором 25 напряжение U источника 24 равным нулю.

3.Подстроечным сопротивлением 25 добиться равенства нулю напряжения U на выходе операционного усилителя 19 в точке Е.

4.Подать в точки Г и Д соответственно напряжения Uio и Uao.

5.Подстроечным сопротивлением 25 добиться равенства нулю напряжения в точке Е.

6.Резистором 36 выставить напряжение Uon 10 В, соответствующее максимальному напряжению, при котором сохраняется линейность выходов операционных усилителей.

Настроенная схема позволяет соблюдать условия (1) и (3), тогда напряжение в точке Е будет определяться из соотношения

:-

R/I U (KUi-U2-U0) щ

где 1Н и U2 - текущие значения в точках Г и

Д.

При измерении зазора Н настроенная схема фиг. 1 работает следующим образом

(на фиг. 3 показаны графики напряг мии « точках А-Ж схемы фиг 1. на которой то ю А - выход генератора 1, Б - направит1 обмотки 4, В - напряжение на обмотке 11 5 Ж - на выходе перемножителя 28) Гонора тор 1 вырабатывает переменное напряжение (точка А) постоянной амплитуды и частоты, которое поступает на измерительный и компенсационный блоки 2 и 3 В из 10 мерительном блоке напряжение с генератора 1 мерез разделительную емкость 6 поступает на параллельный резонансный контур, составленный из измерительной обмотки 4 и конденсатора 5. При вращении 15 турбины лопатки (фиг. 2) попадают и выходят из зоны чувствительности преобразователя. В то время, когда лопаток в зоне нет (время t2 на фиг. 3), амплитуда напряжения в точке Б максимальна, что соответствует резонансу. При входе одной из лопаток в зону чувствительности (время ti) в процессе вращения турбины индуктивность обмотки 4 меняется, и условие резонанса нарушается, поэтому амплитуда напряжения в точке Б уменьшается. Амплитудный детектор, таким образом, выделяет в точке Г напряжение амплитуды, зависящее как от зазора Н, так и от температуры окружающей среды

Аналогично измерительному блоку 2 работает компенсационный блок 3. Напряжение с генератора 1 через разделительный конденсатор 13 поступает на контур, составленный из компенсационной обмотки 11 и конденсатора 12.

Напряжения с точек Г и Д преобразуются схемой вычитания 18 совместно с резистором 26 и источником 24 в напряжение U, определяемое из соотношения (5), в котором Ui и U2 - текущие значения соответственно в точках Г и Д во время ti, когда лопатка находится в зоне чувствительности Преобразователя. Схема АРУ, собранная на перемножителе 29, пиковом детекторе 30 интеграторе 31 и источнике 35 опорного напряжения, производит преобразование напряжения U и Уз, определяемое из соотношения

U3 ,

Uon Нз

K UlT-U2T-U0 R4

Uii и U2r - текущие напряжения соответственно в точках Г и Д при выходе лопаток из зоны чувствительности преобразователя (время t2 на фиг. 3) в про 55 цессе вращения турбин.-i.

Таким образом, настройка прибора обеспечивает привязку выходного напряжения Уз устройства к нулю при номинальном зазоре Н0 во время ti и к Don во время t2 в

20

25

30

35

40

45

50

где Ki

процессе вращения турбины для любых температур, обеспечивая температурную независимость показаний устройства на индикаторе 28. При этом статическая функция преобразования зазора для точки Е показана на фиг. 4, где Т - температура окружающей среды, а для выходной точки Ж - на фиг. 5 для всех температур.

Автоматическая привязка выходного напряжения в двух реперных точках обеспечивает повышение точности преобразования в условиях произвольного мешающего воздействия влияющих факторов. При этом исключается периодическая подстройка устройства, что важно при длительной непрерывной записи процессов.

Формула изобретения Вихретоковое устройство для измерения зазора, содержащее генератоо переменного напряжения, связанные с его выхо дом измерительный и компенсационный блоки с вихретоковыми преобразователями, подключенную к их выводам схему вычитания и индика ор отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет отстройки от мешающего воздействия влияющих факторов, схема вычитания выполнена на операционном

усилителе с регулируемым входным делителем, а устройство снабжено регулируемым источником постоянного напряжения, подключенным к инвертирующему входу операционного усилителя через резистор, и

схемой автоматической регулировки усиления со стабилизацией максимального уровня сигнала, включенной между выходом схемы вычитания и УЫЦИКЗТО- ром.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может использоваться для измерения зазора вихретоковым методом. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет отстройки от мешающего воздействия влияющих факторов, достигается благодаря тому, что в вих- ретоковом устройстве для измерения зазора, содержащем генератор, измерительный и компенсационный блоки с вихре- токовыми преобразователями каждый, подключенную к их выходам схему вычитания и индикатор, схема вычитания выполнена на операционном усилителе, а устройство снабжено регулируемым источником постоянного напряжения, подключенным к инвертирующему входу операционного усилителя через регистр, схемой автоматической регулировки усиления со стабилизацией максимального уровня сигнала, включенной между выходом схемы вычитания и индикатором. 5 ил.

Uun25 -Vun

фиг.1

а5Фиг.1

и

я

WT,

Фиг.