ВИХРЕТОКОВЫЙ ДАТЧИК ОСЕВЫХ СМЕЩЕНИЙ
EDDY-CURRENT AXIAL OFFSET TRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля линейных перемещений габаритных валов роторных машин в энергетике, турбонасосных агрегатов в нефтегазовой промышленности и других областях.
Известен класс индуктивных датчиков с изменяющимся зазором между сердечником и перемещающимся якорем, приводящим к изменению индуктивного параметра (L) в измерительной цепи [см., например, Индуктивные датчики в книге “Справочник по радиоэлектронике”, под редакцией А.А.Куликовского, т.2, Энергия, М.: 1988, с.464-465, рис.19.10 - аналог].
Недостатками известных аналогов являются:
- неоднородность магнитного поля при большой величине зазора, вызывающая нелинейность характеристики;
- ограниченность зазора перемещений (0.1-2 мм) для некоторого класса датчиков.
Для контроля вибраций и смещений вращающихся габаритных валов роторных машин нашли применение бесконтактные вихретоковые датчики. Датчик устанавливается на станине с зазором (h) относительно вала роторной машины, причем величина зазора (h) может достигать 3-5 мм при достаточной линейности измерительной характеристики.
cp
cp
Известен “Вихретоковый измеритель”, патент RU №2281490, 2006 г. - аналог. Измеритель-аналог содержит вихретоковый датчик в виде таблетки спиральных намоток, взаимодействующий с буртиком роторной машины, возбуждаемый от высокочастотного генератора и подключенный к тракту обработки сигнала, в тракте обработки реализован фазовый метод на основе последовательно подключенных к высокочастотному генератору фазовращателя, фазового детектора, фильтра нижних частот и регистратора, сигнал с датчика через усилитель подают на второй вход фазового детектора, при этом отношение толщины (а) таблетки датчика к ее среднему диаметру d выбирают из условия a/d≈0.15…0.2, а частоту f возбуждения датчика выбирают в зависимости от электрической проводимости g материала буртика, так чтобы f·g=const.
При линейности измерительной характеристики в зазоре (h) до 5 мм к недостаткам аналога следует отнести:
- необходимость закрепления на валу роторной машины измерительного буртика из немагнитного материала с требуемой проводимостью g и частотой возбуждения f;
- усложнение электронной схемы обработки сигнала и технологии изготовления обмоток в виде таблетки.
Ближайшим аналогом к заявляемому является серийный датчик измерения смещений ДВТ21 [см., например, Руководство по эксплуатации аппаратуры Вибробит 100. ВШПА. 42.14.12 100 РЭ, http://www.vibrobit.ru].
Датчик измерения смещений ближайшего аналога содержит пустотелый металлический корпус с резьбой, ввинчиваемый в защитный кожух турбоагрегата, внутри пустотелого корпуса проходит соединительный кабель чувствительного элемента, выполненного в виде соленоидальной катушки, закрепленной уплотняющими резиновыми прокладками и залитой компаундом.
Недостатками ближайшего аналога являются:
- существенное уменьшение ресурса при работе в экстремальных условиях эксплуатации - температурах перегретого пара 220°C и давлении 20 ати;
- выкрашивание уплотнительных прокладок и компаунда при экстремальных условиях эксплуатации, приводящее к короткому замыканию обмоток чувствительного элемента под воздействием перегретого пара.
Задача, решаемая заявленным устройством, состоит в увеличении ресурса работы датчика в экстремальных условиях эксплуатации путем помещения чувствительного элемента датчика в цельный герметичный диэлектрический стакан из полимерного материала и расширении линейного участка выходной характеристики путем выбора конструктивного соотношения между количеством витков соленоидальной намотки, толщиной провода, площадью сечения чувствительного элемента и его длиной.
Технический результат достигается тем, что в вихретоковом датчике осевых смещений, содержащем полый металлический корпус, размещенные в полом корпусе соединительный кабель, чувствительный элемент в виде соленоидальной катушки, металлическую втулку с фланцем, герметизирующие чувствительный элемент уплотнители, дополнительно в качестве основного герметизирующего уплотнителя применен диэлектрический стакан из полимерного материала, в который помещен чувствительный элемент с металлической втулкой, юбка стакана завальцована под фланец втулки, закрепляемой на корпусе датчика стяжными болтами, стакан имеет цилиндрический выступ, обращенный внутрь втулки, на который надета и приклеена соленоидальная катушка чувствительного элемента, а увеличение зазора между чувствительным элементом и объектом контроля на толщину диэлектрического стакана скомпенсировано, для линейности выходной характеристики, конструктивным соотношением между диаметром навивки катушки D и ее длиной l как 14,5/3.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг.1 - конструктивный чертеж датчика;
фиг.2 - схема чувствительного элемента;
фиг.3 - выходная характеристика датчика: а) заявляемого, б) ближайшего аналога;
фиг.4 - функция эксплуатационной надежности датчика: а) заявляемого, б) ближайшего аналога.
Вихретоковый датчик осевых смещений (фиг.1, 2) содержит втулку 1, помещенную в литой стакан 2 из полимерного материала, юбка 3 стакана завальцована под фланец 4 втулки, посредством которого датчик стяжными болтами 5 крепится на кожухе 6 турбоагрегата, стакан 2 имеет цилиндрический выступ 7, обращенный внутрь втулки, на который надета и приклеена соленоидальная катушка 8 чувствительного элемента, к обмотке 9 которого припаяны концы соединительного кабеля 10, проходящего через полый корпус датчика к измерителю 11 запитки датчика, чувствительный элемент через зазор h (фиг.2) взаимодействует с экраном-объектом 12.
Динамика взаимодействия элементов датчика состоит в следующем. Чувствительный элемент вихретокового датчика, соленоидальная катушка 8, посредством соединительного кабеля 10 запитывается от измерителя (автогенератора) 11 с частотой f≈800 кГц. Чувствительный элемент вихретокового датчика (фиг.2), расположенный вблизи проводящего экрана-объекта 12, представляется системой индуктивно связанных контуров. Благодаря вихревым токам, протекающим в экране-объекте, в контур соленоидальной катушки вносится дополнительное комплексное сопротивление. За счет вносимого комплексного сопротивления меняется добротность соленоидальной катушки и, как следствие, амплитуда генерируемых автогенератором 11 колебаний на нагрузке, зависящих также от величины зазора (h) между чувствительным элементом 8 и экраном-объектом 12. Зависимость напряжения сигнала на выходе датчика от величины зазора (h) иллюстрируется графиками фиг.3. Чем больше площадь сечения соленоидальной катушки 8, тем больше коэффициент связи между чувствительным элементом и экраном-объектом. Для обеспечения линейности выходной характеристики датчика и компенсации увеличения зазора на толщину герметизирующего стакана, по сравнению с аналогом, выбрано конструктивное соотношение между диаметром D навивки соленоидальной катушки и ее длиной в пропорции 14,5/3 мм.
Сравнительные графики выходных характеристик заявляемого датчика а) и ближайшего аналога б) иллюстрируются фиг.3.
В датчиках-прототипах герметизация чувствительного элемента осуществляется с помощью компаундов, резиновых уплотнений, сварки керамического корпуса с коваром. При длительной эксплуатации датчиков-прототипов в экстремальных условиях - температурах перегретого пара 220°C и давлении до 20 ати - вследствие различных коэффициентов температурного расширения перечисленных материалов нарушается герметичность чувствительного элемента, а под воздействием микрочастиц и его разрушение.
В заявленном датчике герметичность чувствительного элемента обеспечивается посредством цельного, литого, диэлектрического, пластичного стакана из полимерного материала, в который помещен чувствительный элемент датчика.
Все элементы датчика выполнены из существующих материалов:
- диэлектрический стакан из полимерного материала фторопласт Ф-4 ТУ 6-05-810-88 с рабочей температурой 260°C и давлением до 20 ати;
- высокотемпературный клей для приклеивания (заливки) соленоидальной катушки к цилиндрическому выступу стакана: К-300, с рабочей температурой до 300°C;
- обмоточный провод с эмалевой изоляцией типа ПНЭТ-ИМИД, ТУ 16.505.489-78, с температурным индексом 240°C [см. Электрические кабели, провода и шнуры, Справочник, 5-е изд., Н.И.Белоусов и др., Энергоатомиздат, М.: 1988 г.].
Проводились ускоренные ресурсные испытания датчика в автоклаве с рабочей температурой до 300°C и давлением до 20 ати на предприятии-изготовителе НПО ИТ. Графики эксплуатационной надежности заявленного датчика а) и ближайшего аналога б) иллюстрируются фиг.4. Оценочный ресурс работы заявленного датчика составляет 5 лет по сравнению с 1,5 годами ближайшего аналога.