Ємнісний сенсор для вимірювання радіального биття циліндричних поверхонь валів потужних електричних машин

Ємнісний сенсор для вимірювання радіального биття циліндричних поверхонь валів потужних електричних машин, який включає активний електрод, охоронний електрод, розміщений навколо активного електрода, екранний електрод, розміщений навколо охоронного, причому всі електроди розміщені в одній площині, а площина електродів паралельна подовжній осі циліндричної поверхні, який відрізняється тим, що активний електрод виконаний у формі прямокутника зі сторонами а і b, де b>а, причому сторона b спрямована уздовж поздовжньої осі контрольованої циліндричної поверхні. Винахід належить до електровимірювальної техніки, до безконтактних вимірювань відстаней електричними методами і може бути використаний для вимірювання радіального биття циліндричних поверхонь валів потужних електричних машин, наприклад, гідрогенераторів і турбогенераторів. Відомі механічні індикатори годинникового типу, які використовуються для вимірювання биття валів контактним способом [1-3]. При цьому радіальне биття визначається як різниця найбільшого й найменшого з показань індикатора за один повний оберт вала. Недоліком є те, що годинникові індикатори не можна використати при автоматичних вимірюваннях. Відомі лазерні тріангуляційні сенсори для вимірювання відстаней [2, 4, 5], які використовуються для вимірювання биттів. Основними частинами сенсорів є лазер, два об'єктиви, фотоприймач і процесор. Під час роботи датчика світло від лазера через перший об'єктив попадає на контрольовану поверхню (наприклад, циліндричну поверхню вала), відбивається від неї і через другий об'єктив попадає на фотоприймач. При зміні положення контрольованої поверхні (тобто, при зміні відстані) змінюється положення світлової плями на фотоприймачі. Знаючи відстань між двома положеннями світлової плями на фотоприймачі, можна розрахувати за допомогою процесора величину зміни відстані. Найбільша величина зміни відстані за один оберт контрольованого вала визначить величину биття. Сенсори такого типу мають високу точність і розрізнювальну здатність (0,001 мм). Прикладом таких сенсорів є сенсори типу optoNCDT фірми Місrо-Epsilon Messtechnic Gmb&Co.KG [5]. Недоліками є: велика складність, висока вартість, сприйнятливість до оптичних забруднень навколишнього середовища. Відомі струмовихрові сенсори для безконтактного вимірювання відстаней до провідних поверхонь, які використовуються для вимірювання биття [2, 6]. Сенсор, зазвичай, являє собою діелектричний циліндр, на торці якого розміщена котушка індуктивності. Принцип дії заснований на зміні індуктивного опору котушки при внесенні в її електромагнітне поле електропровідного матеріалу, наприклад, матеріалу вала. Величина опору зале (19) UA (11) 95843 (13) C2 (21) a201001680 (22) 17.02.2010 (24) 12.09.2011 (46) 12.09.2011, Бюл.№ 17, 2011 р. (72) ЛЕВИЦЬКИЙ АНАТОЛІЙ СТАНІСЛАВОВИЧ, НОВІК АНАТОЛІЙ ІВАНОВИЧ (73) ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ НАН УКРАЇНИ (56) UA 86524 C2, 26.01.2009 SU 1762111 A1, 15.09.1992 SU 662863, 15.05.1979 GB 2071852 A, 23 Sept.1981 DE 4423469 A1, 11.01.1996 DE 4439247 A1, 09.05.1996 KR 20080088242, 02.10.2008 Левицький А.С. Прилади та методи контролю радіальних биттів циліндричних поверхонь валів по 3 жить від відстані від торця котушки до вала. Величина биття визначається як різниця між найбільшою й найменшою відстанями за один оберт контрольованого вала. Розрізнювальна здатність таких датчиків - від 0,005 % до 0,5 % від повного діапазону вимірювання, а нелінійність функції перетворення - від ±25 % до ±2 % також від повного діапазону вимірювання. Основні переваги таких сенсорів: несприйнятливість до змін вологості й газового складу навколишньої атмосфери, простота конструкції й низька вартість. Прикладом таких сенсорів є сенсори типу eddyNCDT фірми Місrо-Epsilon Messtechnic Gmb&Co.KG [6]. Основним недоліком струмовихрових сенсорів є залежність вимірювального сигналу від хімічного складу й «металургійних» властивостей матеріалу контрольованого вала, а це приводить до необхідності налагодження приладу по кожній конкретній марці сталі, з якої виготовлений вал. Найбільш близьким по технічній суті до пропонованого винаходу є ємнісний сенсор для безконтактного вимірювання відстаней до провідної поверхні [2,7-10]. Сенсор містить круглий активний електрод, охоронний електрод, розташований навколо активного електрода, і екранний електрод, розташований навколо охоронного електрода. Всі електроди розташовані в одній площині. Активний електрод і охоронний електрод під час роботи перебувають під однаковою напругою, але при цьому електроди гальванічно розв'язані. Потенціал екранного електрода дорівнює потенціалу землі, тобто нулю. Рівність потенціалів активного й охоронного електродів забезпечує однорідність електричного поля в зоні активного електрода. Екранний електрод захищає робочу зону датчика від наведень. Пристрій працює таким чином. При наближенні площини електродів сенсора до провідної поверхні й подачі напруг на активний і охоронний електрод між площиною електродів і провідною поверхнею виникає електричне поле, причому в зоні активного електрода воно буде однорідним. Площина електродів при цьому паралельна поздовжній осі контрольованої циліндричної поверхні. Ємнісний опір конденсатора, утвореного активним електродом і провідною поверхнею, при змінному струмі буде прямо пропорційним величині відстані між площиною електродів і провідною поверхнею. Якщо контрольована поверхня є циліндричною поверхнею вала, різниця між найбільшою й найменшою відстанню за один оберт вала визначить величину биття. Недоліком пристрою є те, що його точність залежить від кривизни контрольованої циліндричної поверхні вала. При цьому похибка збільшується при збільшенні радіуса активного електрода r. Задачею винаходу є створення ємнісного пристрою для вимірювання радіального биття циліндричних поверхонь валів потужних електричних машин, який дозволяє шляхом зміни форми активного електрода, із круглої на прямокутну, досягти нового технічного результату, а саме, підвищити точність вимірювання. 95843 4 Поставлена задача створення пристрою вирішується тим, що у відомому ємнісному пристрої для вимірювання радіального биття циліндричних поверхонь валів потужних електричних машин, що містить: активний електрод; охоронний електрод, розташований навколо активного; екранний електрод, розташований навколо охоронного, причому всі електроди розташовані в одній площині, яка паралельна поздовжній осі циліндричної поверхні, активний електрод виконаний у формі прямокутника зі сторонами a і b, причому, b>а, а сторона b спрямована паралельно поздовжній осі контрольованої циліндричної поверхні вала. Для досягнення технічного результату запропонований пристрій містить активний електрод прямокутної форми, а також охоронний і екранний електроди. Через електричну ємність, утворену активним електродом і контрольованою циліндричною поверхнею, проходить змінний електричний струм. Охоронний електрод при цьому забезпечує однорідність електричного поля в зоні активного електрода, а екранний електрод захищає робочу зону датчика від наведень. Величина ємнісного опору при цьому лінійно пов'язана з відстанню до циліндричної поверхні. Різниця між найбільшою й найменшою відстанню до циліндричної поверхні за один оберт вала визначить величину радіального биття. Зменшення розмірів сенсора в напрямку, перпендикулярному осі циліндричної поверхні, зменшує величину похибки, зумовленої кривизною вала, так як при цьому зменшиться частка ємності криволінійних ділянок у загальній ємності сенсора. Рівень чутливості запропонованого сенсора у порівнянні з прототипом зберігається при умові ab  r 2 , де r - радіус активного електрода прототипу. Порівняльний аналіз запропонованого сенсора з прототипом дозволяє зробити висновок, що відмітні ознаки запропонованого пристрою є новими, також необхідними та достатніми для досягнення нового технічного результату: підвищення точності вимірювання. На кресленні показано у двох проекціях схему ємнісного сенсора для вимірювання радіального биття циліндричної поверхні вала потужних електричних машин, де: активний електрод прямокутної форми 1, охоронний електрод 2, екранний електрод 3, поздовжня вісь вала 4, циліндрична поверхня вала 5. Охоронний електрод 2 розташований навколо активного електрода 1, а екранний електрод 3 навколо охоронного електрода 2. Електроди 1, 2, 3 розташовані в одній площині. Розміри активного електрода ab, причому більша сторона b розташована паралельно поздовжній осі 4. Пристрій працює таким чином. При подачі на активний електрод 1 і охоронний електрод 2 однакових напруг у робочому зазорі сенсора між активним електродом 1 і циліндричною поверхнею вала 5 утвориться однорідне електричне поле. Зважаючи на те, що електроди 1 і 2 не зв'язані між собою гальванічно, вимірювальним струмом є струм, який проходить через електричну ємність, утворену електродом 1 і циліндричною поверхнею вала 5. При цьому відношення 5 напруги до струму (ємнісний опір) є прямо пропорційним величині відстані dХ між площиною електрода 1 і циліндричною поверхнею вала 4. Якщо проконтролювати відстань dХ за один повний оберт вала, то величина биття 8 визначається як різниця між найбільшою dХ-MAX та найменшою dХM1N відстанню: δ=dХ-MAX-dХ-MlN. Оскільки розмір а активного електрода сенсора, який перпендикулярний поздовжній осі вала 4, у кілька разів менший, ніж розмір (радіус) круглого електрода, то зменшується частка ємності криволінійних ділянок у загальній ємності сенсора, а значить у таку ж кількість разів у першому наближенні зменшиться величина похибки, яка внесена кривизною. Таким чином, запропонований пристрій у порівнянні із прототипом має більш високу точність вимірювання радіального биття, що дає можливість більш ефективно контролювати роботу електричної машини. Література: 1. Измерение радиального биения цилиндрических поверхностей вала ротора электрических машин / Школьник В.Э. - В кн.: Сборник «Электросила». - СПб: Электросила, 2001.-С. 3-8. 2. Левицький А.С. Прилади та методи вимірювання радіального биття циліндричних поверхонь валів потужних гідрогенераторів // Гідроенергетика України. - 2009. - № 1. - с. 14-20. 3. Глазырин В.Е., Глазырин Г.В. Оценка погрешностей измерения биений вала гидрогенератора механическими индикаторами и индукционными датчиками // Электро. - 2006. - № 2. - с. 2931. 95843 6 4. Климанов М.М. Триангуляционная лазерная система для измерений и контроля турбинных лопаток // Измерительная техника. - 2009. - № 7. С.27-31. 5. Laser Sensors for Displacement and Position. http://www.microepsilon.com/products/displacement-positionssensors/laser-sensor/index.html. 6. Eddy Current Sensors for Displacement and Position. http://www.microepsilon.com/products/displacement-positionssensors/eddy-current-sensor/index.html. 7. Capacitive Displacement and Position Sensors. http://www.microepsilon.com/products/displacement-positionssensors/capacitive-sensor/index.html. 8. Compact System capaNCDT 6100. http://www.microepsilon.com/download/products/dat-capaNCDT-6100en.pdf. 9. Capacitive Displacement Sensors Nanometrology Solutions. Measuring Displacement, Vibrations, Rounout, Thickness. http://www.physikinstrumente.com/en/pdf/PI_Nan ometrology_Capacitance_Displacement_Sensor_Cap acitive_Sensor_E.pdf. 10. Lin Jackson, Bissonente Marc R. A New Capacitive Proximity Probe Immune to Electrical Runout. Canadian Machine Vibration Association, 1997 Annual Meeting - Toronto, Canada - 3 - 5 November 1997. http://www.vibrosvstm.com/pdf/PCS_CMVA.PDF. 7 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 95843 8 Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601