Пристрій для вимірювання відстані до струмопровідної поверхні

Реферат: Пристрій для вимірювання відстані до струмопровідної поверхні належить до вимірювальної техніки і може бути використаний для контролю вібрації і захисту турбоагрегатів від підвищеної вібрації у складі систем вібродіагностики енергетичного обладнання, турбонасосних агрегатів, в енергетиці, машинобудівній, нафтогазовій промисловості та інших галузях техніки. Пристрій містить корпус-екран вихорострумового перетворювача з розташованими в ньому пружноінерційним і пружно-в'язким елементами, трьома котушками індуктивності, дві з яких включено відповідно у коло опорного і вимірювального автогенераторів, а третю перевірну котушку індуктивності нерухомо закріплено між опорною котушкою індуктивності і жорстким електропровідним елементом, встановленим з можливістю переміщення, при цьому її вхід підключено до виходу керувального елемента. У корпусі-екрані вихорострумового перетворювача розташовано також блок формування перевірних сигналів, його перший вхід підключено до другого виходу перетворювача частоти, а другий вхід - до другого виходу опорного автогенератора, вихід блока формування перевірних сигналів підключено до входу керувального елемента, перевірна котушка індуктивності через котушку опорного автогенератора індуктивно замикає коло зворотного зв'язку. В свою чергу, виходи автогенераторів підключено до входів перетворювача частоти, вихід перетворювача частоти через послідовно з'єднані лінію зв'язку, фільтр різницевої частоти, підсилювач-обмежувач, формувач послідовності імпульсів, частотний детектор і узгоджувальний підсилювач підключено до входу вимірювального блока. Технічним результатом є розширення функціональних можливостей і поліпшення точності вимірювання. UA 114249 C2 (12) UA 114249 C2 UA 114249 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонований винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний для контролю вібрації і захисту турбоагрегатів від підвищеної вібрації у складі систем вібродіагностики енергетичного обладнання, турбонасосних агрегатів, в енергетиці, машинобудівній, нафтогазовій промисловості та інших галузях техніки. Вібраційні параметри поряд з технологічними є одними з найважливіших показників надійної і безпечної експлуатації агрегатів та їх технічного стану. Відомо пристрій, за допомогою якого реалізовано "Способ имитации изменения параметров электропроводящей поверхности для испытания приборов с вихретоковыми 5 преобразователями" (а.с. СССР № 1599756 МКИ G01N 27/90; G01B 5/02, 1990 г., Бюл. № 38). Пристрій містить імітаційну котушку, розміщену в електромагнітному корпусі-екрані циліндричної форми, перетворювач напруги, підключений до формувача сигналу керування генератора сигналів, а також вимірювальний блок і вихорострумовий перетворювач, виконаний у вигляді вимірювальної котушки, включеної в коливальний контур генератора на фіксованій відстані щодо імітаційної нерухомої котушки індуктивності, коло якої замкнуте на опір навантаження, що функціонально змінюється сигналами від зовнішніх джерел, і тим самим створює ефект, аналогічний впливу струмопровідної поверхні при її переміщенні щодо вимірювальної котушки вихорострумового перетворювача. Недоліками є те, що в пристрої імітації зміни параметрів електропровідної поверхні для випробування приладів з вихорострумовими перетворювачами вплив здійснюється електромагнітним сигналом ззовні безпосередньо на вимірювальну котушку індуктивності для імітації зміни параметрів електропровідної поверхні, при цьому знижується точність вимірювання. Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого винаходу є "Пристрій для вимірювання відстані до струмопровідної поверхні" (пат. 95884 Україна МПК (2006.01) G 01В 7/14, бюл. № 17, 2011 p.), що містить корпус-екран з розміщеними в ньому пружно-інерційним і пружно-в'язким елементами, трьома котушками індуктивності, дві з яких включено відповідно у коло опорного і вимірювального автогенераторів, виходи яких підключено до входів перетворювача частоти, а вихід перетворювача частоти через послідовно з'єднані фільтр, частотний детектор і підсилювач підключено до входу вимірювального блока, джерело опорної напруги і струмопровідний елемент установлено з можливістю переміщення перед котушкою опорного генератора. Третю перевірну котушку індуктивності нерухомо закріплено між опорною котушкою індуктивності і струмопровідним елементом, вхід якої через керувальний елемент підключено до виходу блока формування перевірних сигналів, вихід якого з'єднано з входом керувального елемента. Недоліками цього пристрою є низька температурна компенсація характеристик вихорострумового перетворювача, що не дозволяє підтримувати середнє значення різницевої частоти і здійснювати наскрізну перевірку безпосередньо з корпусу-екрана вихорострумового перетворювача працюючого вимірювального каналу, вимірювати температуру в місці кріплення вихорострумового перетворювача і перевіряти рівні спрацювання попереджувальної і аварійної сигналізації, знижуючи таким чином точність вимірювання пристрою. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення пристрою для вимірювання відстані до струмопровідної поверхні, в якому за рахунок компонування структурних елементів і зв'язків між ними розширюються функціональні можливості та точність вимірювання пристрою. Задача вирішується за рахунок того, що у пристрої для вимірювання відстані до струмопровідної поверхні, який містить корпус-екран вихорострумового перетворювача з розташованими в ньому пружно-інерційним і пружно-в'язким елементами, трьома котушками індуктивності, дві з яких включено відповідно у коло опорного і вимірювального автогенераторів, виходи автогенераторів підключено до входів перетворювача частоти, вихід перетворювача частоти через послідовно з'єднані лінію зв'язку, фільтр різницевої частоти, підсилювачобмежувач, формувач послідовності імпульсів, частотний детектор і узгоджувальний підсилювач підключено до входу вимірювального блока, жорсткий електропровідний елемент встановлено перед котушкою опорного автогенератора з можливістю переміщення, третю перевірну котушку індуктивності нерухомо закріплено між опорною котушкою індуктивності і жорстким електропровідним елементом, при цьому її вхід підключено до виходу керувального елемента, вхід якого з'єднано з блоком формування перевірних сигналів, згідно з винаходом блок формування перевірних сигналів розташовано в корпусі-екрані вихорострумового перетворювача, його перший вхід підключено до другого виходу перетворювача частоти, а другий вхід - до другого виходу опорного автогенератора, вихід блока формування перевірних сигналів підключено до входу керувального елемента, перевірна котушка індуктивності через котушку опорного автогенератора індуктивно замикає коло зворотного зв'язку. 1 UA 114249 C2 5 10 15 20 25 Розташування блока формування перевірних сигналів в корпусі-екрані вихорострумового перетворювача дозволяє автоматично підстроювати та утримувати в заданих припустимих межах різницеву частоту, що розширює функціональні можливості та збільшує точність вимірювання пристрою як при роботі пристроїв самостійно, так і при роботі в складі систем вібродіагностики. Зв'язок блока формування перевірних сигналів, пов'язаного другим входом з другим виходом опорного автогенератора, дозволяє здійснювати наскрізний контроль вимірювального каналу, контроль температури корпусу-екрану вихорострумового перетворювача по одній екранованій лінії зв'язку та перевіряти рівні спрацювання сигналізацій, що розширює функціональні можливості і поліпшує точність вимірювання пристрою. Вихід блока формування перевірних сигналів, який безпосередньо підключено до входу керувального елемента, дозволяє виключити довгу лінію зв'язку, що приводить до зниження похибки при вимірюванні. На Фіг. 1 подано функціональну схему запропонованого пристрою. На Фіг. 2 - експериментальні характеристики зміни різницевої частоти (періоду Т - 3) у результаті температурних та інших змін (1, 2, 4, 5). На Фіг. 3 - зміна величини опору в колі еталонної котушки. Пристрій містить вимірювальну котушку 1 індуктивності, вимірювальний автогенератор 2, перетворювач 3 частоти, опорний автогенератор 4, опорну котушку 5 індуктивності, фільтр різницевої частоти 6, підсилювач 7 обмежувач, формувач 8 послідовності імпульсів, частотний детектор 9, підсилювач 10, вимірювальний блок 11, жорсткий електропровідний елемент 12, корпус-екран вихорострумового перетворювача 13, пружно-інерційний елемент 14 з електропровідною поверхнею, керувальний елемент 15, пружно-в'язкий елемент 16, лінію зв'язку 17, перевірну котушку 18 індуктивності і блок формування перевірних сигналів 19. Пристрій працює таким чином. При зміні зазору   o  (t ) на (t) відносного початкового o між струмопровідною поверхнею пружно-інерційного елемента 14 і вимірювальною котушкою 1 індуктивності генерується сигнал вимірювальним автогенератором 2 з частотою F()  F(o)  F[(t )] . На першому і другому виході перетворювача частоти формується частотно30 35 40 45 модульований сигнал різницевої несучої частоти F()  [F(o)  F()]  F[(t )] , де F(  ) - частота опорного автогенератора 4, F(o) - частота вимірювального автогенератора 2 без девіації, F()  F(o)  Fo - несуча різницева частота, F[(t )] - девіація частоти при впливі вібрації ( t ) на корпус-екран у напрямку вісі чутливості вихорострумового перетворювача переміщень за рахунок кінематичного впливу. Сигнал на виході перетворювача 3 частоти буде мати різницеву частоту F()  Fo  F[(t )] , що дорівнює різниці частот сигналів вимірювального автогенератора 2 і опорного автогенератора 4. Після виділення F() фільтром різницевої частоти 6 усунення амплітудної перешкоди підсилювачем 7 обмежувачем формується імпульсна послідовність формувачем 8 послідовності імпульсів, що відповідає зміні різницевої частоти, період T якої (Фіг. 2) частотним детектором 9 перетвориться в сигнал U  (Uo  U)  [U(t )  U(t )] , де Uo - постійна складова сигналу, пропорційна початковому (заданому) зазору o при нерухомому пружно-інерційному елементі 14; U( t ) - змінний сигнал пропорційний (t) швидкому (виниклому в результаті вібрації W(t ) корпусу-екрана вихорострумового перетворювача 13) переміщенню пружно-інерційного елемента 14 щодо вимірювальної котушки 1; U - повільно змінний сигнал враховує вплив температурних і часових змін параметрів вихорострумового перетворювача на величину несучої частоти Fo відповідно та на величину Uo . Разом зі зміною Uo пропорційно змінюється на виході частотного детектора 9 і U( t ) у вигляді додатка U(t) , при цьому знак плюс або мінус сигналу U відповідає збільшенню або зменшенню усередненої різницевої частоти відносно частоти F(o) . Сигнал U з виходу частотного детектора 9 через підсилювач 10 подається на 50 вимірювальний блок 11. Одночасно з другого виходу перетворювача 3 частоти сигнал F() подається на перший вхід блока формування перевірних сигналів 19, у якому Fo несуча різницева частота порівнюється з еталонною Fo , і після перетворення (періоду T ) різницевої частоти F() , пропорційного o , в напругу, відфільтровується швидка зміна, пропорційна U( t ) , 2 UA 114249 C2 а виділяється постійна складова сигналу, пропорційна Uo  U , і з виходу через керувальний елемент 15, перевірну котушку 18 та індуктивно пов'язану з нею опорну котушку 5 індуктивності опорного автогенератора 4 змінює в протифазі частоту F(  ) до практично повного зникнення 5 10 15 20 25 U , компенсуючи температурну та часову похибку, повертає Fo , a разом з нею F[(t )] до еталонної величини Fo , що генерується блоком формування перевірних сигналів 19. Після детектування частотним детектором 9 частотно модульованого сигналу F[(t )] отримуємо U(t) пропорційний o , в якому відсутня температурна та часова похибка, вимірювана вимірювальним блоком 11. Автоматичне регулювання Fo різницевої частоти відповідно призводить до зменшення до нуля і U(t) . З виходу частотного детектора 9 і підсилювача 10 скоригований у вихорострумовому перетворювачу шляхом автоматичного підстроювання частоти сигнал надходить на вимірювальний блок для подальшої обробки і передачі на наступний рівень. У результаті автоматичного підстроювання середньої (несучої) різницевої частоти всередині вихорострумового перетворювача зменшується його температурна та часова похибка, що підвищує точність контролю вібраційних параметрів. Явище взаємодії вимірювальної котушки вихорострумового перетворювача з струмопровідною поверхнею об'єкта аналогічні явищам в індуктивно зв'язаних контурах. При цьому встановлення котушки вихорострумового перетворювача над струмопровідною поверхнею, що переміщується, призводить до зміни електричних параметрів за рахунок параметрів, що вносяться, а саме зміни її активного й індуктивного опору аналогічно зміні величини опору, що вноситься, в первинній обмотці трансформатора при зміні навантаження у вторинній обмотці. Отже, надається можливість струмопровідну поверхню замінити котушкою (обмоткою) індуктивності, пов'язаною з опорною котушкою індуктивності вихорострумового перетворювача, і розглядати їх взаємодію на основі розробленої теорії пов'язаних контурів стосовно до трансформаторів. Згідно з цією теорією величина активного і реактивного опору, що вноситься, вимірювальної котушки вихорострумового перетворювача за рахунок перевірної котушки 18 індуктивності, замкнутої на опір керувального елемента 15, може бути подана у вигляді: RВН  RВН  30 35 40 45 2M2 R0  RН 1  L0  XН 2 2M2 R0  RН   L0  XН 2 R0  RН  L0  XН  (1) де M  K LU L0 - коефіцієнт взаємоіндуктивності; RН, XН - активний і реактивний опори навантаження в колі еталонної котушки індуктивності; Lu - індуктивність вимірювальної котушки індуктивності; Lo - індуктивність еталонної котушки індуктивності; K - коефіцієнт зв'язку між котушками індуктивності. Величина внесеного опору еталонної котушки індуктивності у вимірювальну котушку індуктивності вихорострумового перетворювача відповідним чином залежить від зміни величини RН і XН складових навантаження в колі еталонної котушки при постійному коефіцієнті зв'язку K , тобто при незмінному взаємному їх положенні. Таким чином, розташування вимірювальної котушки індуктивності вихорострумового перетворювача на фіксованій відстані і нерухомо щодо еталонної котушки індуктивності, замкнутої на опір, дозволяє імітувати переміщення струмопровідної поверхні шляхом зміни величини опору, тобто змінювати величину електричного опору, що вноситься, в еталонній котушці аналогічно впливу струмопровідної поверхні. Зміна величини опору Фіг. 3 в колі еталонної котушки, замкнутої, наприклад, тільки на активний опір, що допускає зміну його величини за функціональним законом (гармонійним чи іншим), можна імітувати переміщення об'єкта контролю для перевірки приладів в діапазоні частот, який залежить тільки від можливостей функціонального перетворювача опору (керувального елемента) в колі еталонної котушки. Перевірка вимірювального каналу здійснюється зміною активного опору в колі перевірної котушки 18 індуктивності, для чого на вхід керувального елемента 15 з блока формування 3 UA 114249 C2 5 10 15 перевірних сигналів 19 подається керувальний сигнал, що відповідає характеру і величині імітованого переміщення. Зважаючи на те, що при незмінному взаємному положенні перевірної котушки 18 індуктивності та опорної індуктивності котушки 5 коефіцієнт взаємоіндукції - const (котушки закріплені жорстко одна щодо одною і щодо жорсткого електропровідного елемента 12), функціональна зміна опору в колі перевірної котушки 18 за допомогою керувального елемента 15 відповідає величині і характеру зміни перевірного сигналу на його вході, що подається з блока формування перевірних сигналів 19 функціонального сигналу керування, наприклад за гармонійним чи іншим законом, змінюється величина активного внесеного опору в опорну котушку 5 індуктивності вихорострумового перетворювача 13 аналогічно впливу струмопровідної поверхні, що переміщується на вимірювальну котушку 1 індуктивності, тільки в протифазі. В результаті виконання вищезазначених операцій в колі перевірної котушки 18 індуктивності імітується переміщення струмопровідної поверхні відносно опорної 5 індуктивності котушки вихорострумового перетворювача 13. Зв'язок між величиною опору і величиною переміщення встановлюється за коефіцієнтом перетворення керувального елемента 15 прямою зміною активного опору в колі перевірної котушки 18 індуктивності. Пристрій для вимірювання відстані до струмопровідної поверхні розширює функціональні можливості і поліпшує точність вимірювання. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 Пристрій для вимірювання відстані до струмопровідної поверхні, що містить корпус-екран вихорострумового перетворювача з розташованими в ньому пружно-інерційним і пружнов'язким елементами, трьома котушками індуктивності, дві з яких включено відповідно у коло опорного і вимірювального автогенераторів, виходи автогенераторів підключено до входів перетворювача частоти, вихід перетворювача частоти через послідовно з'єднані лінію зв'язку, фільтр різницевої частоти, підсилювач-обмежувач, формувач послідовності імпульсів, частотний детектор і узгоджувальний підсилювач підключено до входу вимірювального блока, а жорсткий електропровідний елемент встановлено перед котушкою опорного автогенератора з можливістю переміщення, причому третю перевірну котушку індуктивності нерухомо закріплено між опорною котушкою індуктивності і жорстким електропровідним елементом, при цьому її вхід підключено до виходу керувального елемента, вхід якого з'єднано з блоком формування перевірних сигналів, який відрізняється тим, що блок формування перевірних сигналів розташовано в корпусі-екрані вихорострумового перетворювача, його перший вхід підключено до другого виходу перетворювача частоти, а другий вхід - до другого виходу опорного автогенератора, вихід блока формування перевірних сигналів підключено до входу керувального елемента, перевірна котушка індуктивності через котушку опорного автогенератора індуктивно замикає коло зворотного зв'язку. 4 UA 114249 C2 5 UA 114249 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6