УДК 621.317
МАЛОГАБАРИТНЫЕ ВИХРЕТОКОВЫЕ ДАТЧИКИ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, ВИБРАЦИЙ, ОСЕВЫХ И РАДИАЛЬНЫХ БИЕНИЙ ВАЛОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
В. Н. Колганов, А. В. Куприянов, В. П. Маланин, М. Д. Пресняков
Рассмотрены вопросы построения вихретоковых датчиков с микропроцессорной системой коррекции температурных погрешностей по результатам измерения информативных параметров эквивалентной схемы замещения.
Ключевые слова: измерение перемещений, вихретоковые датчики, температурная погрешность, эквивалентная схема замещения, информативные параметры.
Вихретоковые датчики (ВД) нашли широкое применение при контроле и диагностике состояния вращающихся валов различных энергетических установок. С помощью ВД обеспечивают бесконтактное измерение относительной вибрации, частоты вращения, искривления, а также тепловых расширений вала ротора, осевых смещений и радиальных вибраций вала ротора относительно корпуса.
Несмотря на обширность существующей номенклатуры ВД, продолжаются работы и исследования, направленные на совершенствование их характеристик — расширение диапазона измерения при сохранении геометрии датчика и его минимальных массогабаритных показателей, расширение рабочего температурного диапазона, уменьшение нелинейности выходной характеристики и температурных погрешностей, повышение надежности конструкции ВД. Наряду с совершенствованием технических характеристик ВД важным направлением развития ВД становится их интеллектуализация, т. е. проведение в самом датчике предварительной обработки информации с выделением информативного параметра с компенсацией влияния дестабилизирующих факторов.
Одним из преимуществ ВД является возможность работы в широком диапазоне температур, начи-
ная от криогенных и до +200 °С, где верхний предел ограничен только рабочим диапазоном температур материалов конструкции ВД, а использование соединительного кабеля позволяет разместить вторичный преобразователь (ВП) в условиях, обеспечивающих его работоспособность.
К недостаткам ВД следует отнести трудности, а в некоторых случаях и невозможность, применения дифференциального метода измерения, обладающего широкими функциональными возможностями. В таких случаях используют так называемый квазидифференциальный метод, при котором входная измеряемая величина, в данном случае перемещение объекта контроля, воздействует только на одну измерительную катушку. На вторую, дополнительную катушку, воздействуют только дестабилизирующие факторы и, прежде всего, — температура. Вторая катушка в этом случае называется компенсационной, так как компенсирует влияние дестабилизирующих факторов на результат измерения. Точность компенсации влияния дестабилизирующих факторов, например температуры, на результат измерения определяется строго идентичной зависимостью параметров катушек во всем рабочем диапазоне температур.
Важнейшим дестабилизирую -щим фактором для ВД является
температура, так как воздействие температуры может вызывать изменения индуктивности катушки, межвитковой емкости катушки, сопротивления провода катушки, геометрии каркаса катушки, параметров соединительного кабеля, а также свойств контролируемого объекта. При изменении температуры от — 196 до +200 °С в зоне действия ВД температурная погрешность может достигать 30 %.
Для коррекции температурной погрешности в таких случаях используют датчик температуры, размещенный в корпусе ВД, по его сигналу ВП осуществляет коррекцию температурной погрешности ВД. В условиях воздействия нестационарных температур на ВД такое решение снижает надежность работы ВД и в большинстве случаев не дает удовлетворительных результатов вследствие большого постоянно изменяющегося градиента температур между двумя обмотками ВД.
Для устранения этого недостатка авторами предлагается измерять температуру каждой обмотки ВД и тем самым в зависимости не только от температуры обмоток, но и от градиента температур между ними корректировать выходной сигнал ВД. В разработанных датчиках получение информации о температуре каждой обмотки осуществляется по изменению от температуры со-
противлений обмоток постоянному току.
Такое решение позволяет также устранить влияние на результат измерения перемещения гистерезиса, возникающего при возрастании и убывании воздействующей на ВД температуры. Это осуществляется программно микропроцессорной обработкой двух полученных сигналов о температуре каждой обмотки и третьего сигнала об их разности (градиенте).
Характерной погрешностью ВД при измерении в жестких условиях эксплуатации является погрешность от влияния параметров соединительного кабеля, так как его длина в некоторых случаях эксплуатации достигает пяти метров, а минимизация габаритных размеров ВД, и прежде всего катушек, вынуждает работать в диапазоне частот питания ВД выше 1 МГц. Параметры соединительного кабеля при такой длине оказывают существенное влияние на результат измерения. Для устранения этой погрешности авторами предложено измерять напряжение, приложенное непосредственно к обмоткам ВД, и использовать результат измерения напряжения в микроконтроллере при формировании выходного сигнала.
Вихретоковый датчик (рис. 1) состоит из керамического корпуса 2, соединенного высокотемпературной пайкой с титановой втулкой 3, используемой для установки ВД на изделии. Внутри корпуса 2 на определенных расстояниях размещены идентичные по размерам и намоточным характеристикам измерительная 5 и компенсационная 6 катушки индуктивности. Обмотки катушек выполнены проводом марки ПНЭТ-имид с высокотемпературным клеем и размещены в пазах керамического каркаса. Внутри корпуса размещены также экранирующая пластина 1 и контактная колодка 7. ВД соединен с ВП кабельной перемычкой 8 и розеткой 9 разъема РС7ТВ.
Экранирующая пластина 1 выполнена из материала, идентичного по электрофизическим свойствам материалу объекта контроля, толщиной не менее глубины проникнове-
Рис. 1. Конструкция квазидифференциального вихретокового датчика
Рис. 2. Функциональная схема вторичного преобразователя
ния электромагнитного поля частотой 1 МГц для данного материала. Она служит для получения комплексного сопротивления компенсационной катушки 6, равного комплексному сопротивлению измерительной катушки 5 при номинальном измеряемом перемещении к, что позволяет наилучшим образом компенсировать температурную погрешность измерения перемещений во всем диапазоне изменения температур.
На рис. 2 показана разработанная функциональная схема ВП для ВД.
Рассмотрим работу ВП с учетом приведенной на рис. 3 эквивалентной схемы замещения квазидифференциального ВД.
Генератор стабильного напряжения переменного тока высокой частоты ГВЧ подключен к первичной обмотке трансформатора Т, с вторичных обмоток которого токи питания в противофазе через разде-
лительные конденсаторы С1 и С2, через клеммы и сопротивления кабельных перемычек Я1 и Л4 поступают на дифференциальные обмотки 01 и 02 квазидифференциального ВД. Трехполюсная эквивалентная схема замещения квазидифференциального ВД содержит измерительную катушку ВД с полным комплексным сопротивлением 2Х двухполюсника. Двухполюсник состоит из последовательного соединения индуктивности Хн, создающей магнитный поток, и сопротивления обмотки катушки и параллельно включенного последовательного соединения вносимой индуктивности Ьвн и вносимого сопротивления Лвн, зависящих от перемещения. Компенсационная катушка с полным комплексным сопротивлением состоит из последовательного соединения индуктивности Ьк и сопротивления Лк. В слу-
Рис. 3. Эквивалентная схема замещения квазидифференциального ВД
чае выполнения условий Ьн = Ьк и ^об = Як можно при питании катушек противофазными напряжениями найти выражение для разности
токов катушек А /, которая далее преобразуется высокочастотным операционным усилителем ВОУ в
выходное напряжение Щ:
= ил
иу = *5 +
(% + у'шХ!) - (Я02 + у'шХ])
= и„
*5 + -
Явн +>-в
где Я5 и Я7 — сопротивления соответственно кабельной перемычки и образцового резистора Я7; ¿Д — напряжение, приложенное непосредственно к обмоткам ВПП.
Напряжение их на выходе прецизионного выпрямителя ПВ1, поступающее на аналоговый вход микроконтроллера МК, с учетом выбора сопротивления образцового резистора Яу > Я5 можно записать в виде:
их = |иу|Кпв1 =
= |ид|-
Я7КПВ1
л/Я]зн + (® 1вн)2
(1)
где Кпв1 — коэффициент передачи прецизионного выпрямителя ПВ1.
Из выражения (1) видно, что значение напряжения их, поступа-
ющего на первый аналоговый вход МК, обратно пропорционально модулю вносимого комплексного сопротивления измерительной катушки датчика, и следовательно, измеряемому перемещению. Разделительные конденсаторы С1, С2 и С3 служат для разделения переменной и постоянной составляющих напряжений, подаваемых на обмотки ВД.
Напряжение ¿Д, приложенное непосредственно к обмоткам датчика, через клеммы и сопротивления кабельных перемычек Я2 и Я3 и далее через разделительные конденсаторы С4 и С5 поступает на вход высокочастотного дифференциального усилителя ВДУ, усиливается им и через прецизионный выпрямитель ПВ2 подается в виде напряжения
и = \ид\Кпв2кВДУ на второй аналоговый вход МК.
Падения напряжений, создаваемые токами от источников стабильного постоянного тока ИСТ1 и ИСТ2 на сопротивлениях обмоток постоянному току Яш и Я02, через сопротивления кабельных перемычек Я2, Я3 и Яб поступают соответственно на входы дифференциальных усилителей ДУ1 и ДУ2, усиливаются и в виде напряжений постоянного тока иТ1 и иТ2, пропорциональных температурам измерительной и компенсационной обмоток, подаются на третий и четвертый аналоговые входы МК. Все аналоговые напряжения преобразуются в МК в двоичный код, обрабатываются по заданной программе и результат измерения в виде кода Мвых с МК поступает на выход.
ВД совместно с ВП предназначен для измерения осевых и радиальных биений валов двигателей ракетно-космической техники и имеет следующие основные технические характеристики.
Основные технические характеристики ВД
Диапазоны измерения пе- 0...1; 0...1,4;
ремещений h, мм.......0...2; 0...3,1
Рабочий диапазон:
частот, Гц...........1000
температур, °С
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.