ВИХРЕТОКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ВРАЩАЮЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в машиностроении и других областях техники преимущественно для непрерывного бесконтактного контроля линейных перемещений в осевом и радиальном направлении вращающихся деталей различных механизмов и для контроля деформаций, температурных расширений, положения и перемещения металлических объектов в условиях невозможности применения контактных и других способов измерения из-за воздействия повышенной температуры, присутствия масел, агрессивных или взрывоопасных сред. В комплекте с вторичной аппаратурой может применяться для непрерывного и долговременного контроля состояния машин и механизмов в процессе эксплуатации их в энергетике, машиностроении и других отраслях промышленности. Объектом контроля могут быть различные параметры.
Известны вихретоковые устройства для неразрушающего контроля (см. RU 21114826 G01N 27/90 от 1998.05.20)
Вихретоковое устройство для неразрушающего контроля, содержащее генератор переменного тока, блок измерительных и блок компенсационных вихретоковых преобразователей, первый блок амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей, первый вход которого подключен к выходу генератора переменного тока, первый блок информации, первый вход которого подсоединен к выходу первого блока амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей, Блок измерительных и блок компенсационных вихретоковых преобразователей выполнены в виде 2n, где n - целое число, пар измерительных и 2n пар компенсационных идентичных накладных вихретоковых преобразователей, каждый из которых содержит две обмотки, выполненные в виде катушек индуктивности, расположенных в соответствующем блоке вихретоковых преобразователей, при этом обмотки каждой пары преобразователей соосны и расположены у диаметрально противоположных точек поверхности исследуемого изделия, угол между осями ближайших пар преобразователей равен 90% и оси всех пар преобразователей в каждом блоке расположены в одной или двух
перпендикулярных продольной оси исследуемого изделия плоскостях, выход каждой первой обмотки каждого преобразователя подсоединен через резистор к выходу генератора переменного тока, а вторые обмотки преобразователей каждого блока соединены между собой последовательно согласно, устройство снабжено первым блоком повторителей, два входа которого соединены соответственно с выходами вторых обмоток измерительных и компенсационных преобразователей, а выходы - соответственно с вторым и третьим входами первого блока амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей, последовательно соединенными вторым блоком повторителей, входы которого подключены к выходам первых обмоток первой пары измерительных преобразователей, вторым блоком амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей и первым формирователем абсолютного значения сигнала, последовательно соединенными третьим блоком повторителей, к входам которого подключены выходы первых обмоток второй пары измерительных преобразователей, ось которой перпендикулярна оси первой пары измерительных преобразователей, третьим блоком амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей и вторым формирователем абсолютного значения сигнала, причем первые входы второго и третьего блоков амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей соединены с выходом генератора переменного тока, первым сумматором, входы которого подключены к выходам формирователей абсолютного значения сигнала, а выход - к третьему входу первого блока информации, вторым сумматором, к входам которого подсоединены выход первого блока амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей и выход первого сумматора, а к выходу - четвертый вход первого блока информации, вычитателем, выход которого подключен к второму входу первого блока информации, первым и вторым усилителями с регулируемым коэффициентом передачи, измерительные входы которых соединены соответственно с выходом первого блока амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей и выходом первого сумматора, а выходы - с первым и вторым входами вычитателя, первым и вторым блоками модуляционной обработки сигналов, входы которых подключены к выходам соответственно первого блока амплитудно-фазовой обработки сигнала преобразователей и первого сумматора, а выходы - к входам управляющего сигнала первого и второго усилителей с регулируемым коэффициентом передачи, а также вторым блоком информации, входы которого
подключены к выходам первого и второго блоков модуляционной обработки сигналов.
Недостатком этого устройства является обеспечение линейности и точности измерений за счет применения многообмоточных и конструктивно сложных вихретоковых преобразователей, закрепляемых в механизме, сложность обеспечения соосности и точности положения катушек при размещении датчиков на крупногабаритных объектах.
Известны устройства для измерения вибронапряжений и температуры на вращающемся объекте (см. RU 2280240, кл. G01D 5/12 от. 2006.07.20)
Устройство для измерения различных параметров на вращающемся объекте, содержащее закрепленные на различных элементах конструкции ротора первичные преобразователи, подключенные через усилители и источник питания, Устройство дополнительно снабжено селектором, микроконтроллером, двумя инфракрасными приемопередатчиками, преобразователем интерфейса и персональным компьютером, причем усилители подключены через селектор, цифровой преобразователь и микроконтроллер к подвижному инфракрасному приемопередатчику, а персональный компьютер через преобразователь интерфейса связан с неподвижным приемопередатчиком.
Недостатком этого устройства является обеспечение подвижности приемопередатчика, что резко снижает надежность при эксплуатации в условиях сильной вибрации работающих механизмов, присутствии машинного масла, загрязнений подвижных элементов.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для преобразования линейных перемещений «СИЭЛ-166», применяющее простой однообмоточный вихретоковый датчик, легко размещаемый на любом объекте, (см. «Руководство по эксплуатации «СИЭЛ-166» ТПКЦ.427671.001 РЭ», копия прототипа к заявке прилагается).
Согласно «Руководству по эксплуатации «СИЭЛ-166» Т ПКЦ.427671.001 РЭ» датчик вихретоковый подключен к генератору. Индуктивность катушки датчика, емкость соединительного кабеля, активное сопротивление катушки и кабеля образуют параллельный колебательный контур. При изменении расстояния между торцом катушки и металлической поверхностью изменяется добротность колебательного контура из-за потерь на вихревые токи в металле; при этом амплитуда колебаний генератора в диапазоне измерения меняется линейно в зависимости от расстояния между торцом катушки и металлической
поверхностью К выходу генератора подключен выпрямитель, сигнал которого пропорционален значению амплитуды колебаний генератора. Постоянная времени фильтра выпрямителя обеспечивает преобразование сигнала в заданном диапазоне частот. На выход блока сигнал поступает через нормирующий буферный каскад, в котором устанавливается требуемый коэффициент преобразования и вид выходного сигнала.
Недостатком прототипа является повышенное энергопотребление из-за использования непрерывно работающего автогенератора, низкой линейности измерений из-за нелинейности характеристик простых однообмоточных вихретоковых датчиков по физическому принципу работы, большое энергопотребление постоянно работающего генератора, в чего результате не выдерживаются заявленные технические характеристики при работе в комплекте с барьерами искробезопасности, что ограничивает применение на опасном производстве. Устройство не имеет многофункциональных выходов, что вынуждает потребителей устанавливать несколько вариантов исполнения устройств и несколько датчиков на контролируемом объекте, применять дополнительные блоки - преобразователи в соответствии с Руководством по эксплуатации.
Задачей полезной модели явилось создание нового устройства, использование которого позволяет получить технический результат, состоящий в снижении энергопотребления до уровней, позволяющих подключать устройство к барьерам искробезопасности, получать улучшенную линейность при применении простых однообмоточных вихретоковых датчиков, совмещение измеряемых параметров для минимизации количества датчиков на контролируемом объекте. Указанный технический результат достигается новой совокупностью существенных признаков.
Вихретоковое устройство для диагностики линейных перемещений вращающихся деталей, (далее устройство) содержащее схему формирования измерительного сигнала, состоящую из цифрового генератора измерительных импульсов, выход которого соединен с управляющим входом коммутирующего элемента, один коммутационный контакт которого подключен к выходу стабилизатора, а второй коммутационный контакт является выходом всего устройства и служит для подключения токовихревого датчика, и одновременно является входом схемы измерения, состоящей из повторителя формы импульсов, вход которого подключен к выходу схемы формирования измерительного сигнала,
а выход - к входу измерителя мощности, выход которого подключен к схеме первичной обработки параметров сигнала, состоящей из фильтра нижних частот, вход которого подключен к выходу схемы измерения, а выход - к входу масштабирующего усилителя, выход которого подключен одновременно к входу измерителя величины медленноменяющегося процесса, выход которого является первым информационным выходом устройства, к входу измерителя величины быстроменяющегося процесса, выход которого является вторым информационным выходом устройства, к входу буферного усилителя, выход которого является третьим информационным выходом устройства, и к входу сигнализатора наличия сигнала, выход которого является четвертым информационным выходом устройства.
Новая совокупность существенных признаков необходима и достаточна для достижения указанного технического результата. Существенным отличием устройства является наличие в нем цифрового генератора измерительных импульсов (в отличие от генератора, используемого в прототипе) и соответствующее новое подключение всех элементов, обеспечивающее импульсный способ измерений (а не постоянный автогенераторный, в отличии от прототипа), что существенно снижает потребляемую устройством энергию и позволяет применять его в комплекте с барьерами искробезопасности, ограничивающими передаваемую мощность и применяемыми в системах, размещаемых в помещениях с повышенной категорией опасности. Кроме этого, измерение мощности сигнала (а не амплитуды колебаний генератора, как у прототипа), которая пропорциональна квадрату амплитуды измеряемого сигнала, позволило отказаться от сложных схем линеаризации нелинейности токовихревых датчиков, имеющих почти квадратичную характеристику затухания сигнала, что привело к упрощению схемы и уменьшению количества элементов при повышении точности и линейности измерений. Совмещение в одном устройстве нескольких функциональных возможностей существенно расширяет сферу его применения по сравнению с прототипом и другими однофункциональными устройствами.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на фиг.1 которого приведена функциональная схема вихретокового устройства для диагностики линейных перемещений вращающихся деталей, на фиг.2 схема, поясняющая осуществление контроля за положением вращающегося объекта по осям X, У, Z, c
использованием устройства, заявленного в качестве полезной модели с реализацией ее назначения.
Устройство содержит схему формирования измерительного сигнала, состоящую из цифрового генератора 1 измерительных импульсов, выход которого соединен с управляющим входом коммутирующего элемента 2, один коммутационный контакт которого подключен к выходу стабилизатора 3, а второй коммутационный контакт является выходом всего устройства и служит для подключения измерительного токовихревого датчика, и одновременно является входом схемы измерения, состоящей из повторителя 4 формы импульсов, вход которого подключен к выходу схемы формирования измерительного сигнала, а выход - к входу измерителя 5 мощности, выход которого подключен к схеме первичной обработки параметров сигнала, состоящей из фильтра 6 нижних частот, вход которого подключен к выходу схемы измерения, а выход - к входу масштабирующего усилителя 7, выход которого подключен одновременно к входу измерителя 8 величины медленноменяющегося процесса, выход которого является первым информационным выходом устройства, к входу измерителя 9 величины быстроменяющегося процесса, выход которого является вторым информационным выходом устройства, к входу буферного усилителя 10, выход которого является третьим информационным выходом устройства, и сигнализатора 11 наличия сигнала, выход которого является четвертым информационным выходом устройства.
Устройство работает следующим образом: цифровой генератор 1 измерительных импульсов периодически посредством коммутирующего элемента 2 подключает стабилизатор 3 к выходу устройства, к которому подключен токовихревой датчик (на фиг.1 не показан) закрепленный в работающем механизме, в результате чего в колебательном контуре токовихревого датчика возникает электромагнитный импульс, мощность которого определяется параметрами цифрового генератора 1 измерительных импульсов и стабилизатора 3. По окончании импульса в колебательном контуре датчика происходит автоколебательный затухающий процесс, параметры которого зависят от потерь мощности, поглощаемой металлическим объектом контроля, и по величине этих потерь можно рассчитать расстояние до объекта. Повторитель формы импульсов 4, вход которого подключен к этому же токовихревому датчику, повторяет автоколебательный процесс в датчике на измерительном элементе
измерителя 5 мощности, напряжение на выходе которого является электрической величиной, пропорциональной измеряемым механическим величинам.
Напряжение с выхода измерителя 5 мощности поступает в схему первичной обработки параметров сигнала для выделения из полученного комплексного сигнала составляющих, необходимых для оценки протекающих механических процессов, и приведение этих сигналов в соответствие со стандартами передачи информации. Сигнал поступает на вход фильтра 6 нижних частот, пропускающего полезный сигнал и подавляющего импульсные составляющие, связанные с импульсным способом измерений. С выхода фильтра 6 нижних частот полученный полезный сигнал поступает на масштабирующий усилитель 7, имеющий элементы регулировки для возможности подключения устройства к различным типам и модификациям токовихревых датчиков, либо подстройки устройства при контроле объектов, материал которых отличается поглощающей способностью. С выхода масштабирующего усилителя 7 сигнал поступает одновременно в измеритель 8 величины медленноменяющегося процесса, представляющего собой фильтр очень низких частот с возможностью передачи постоянной составляющей напряжения, в измеритель 9 величины быстроменяющегося процесса представляющего из себя пиковый' детектор размаха изменения полезного сигнала, в буферный усилитель 10, представляющий из себя усилитель с разными коэффициентами усиления в зависимости от условий применения устройства, и в сигнализатор 11 наличия сигнала, представляющего собой коммутирующий элемент, замыкающий внешнюю цепь сигнализации при наличии на его входе определенного уровня полезного сигнала. По величине сигнала на выходе измерителя 8 величины медленноменяющегося процесса можно оценить расстояние от вихретокового датчика до контролируемой поверхности объекта. По величине сигнала на выходе измерителя 9 величины быстроменяющегося процесса можно оценить величину вибрации объекта. Сигнал на выходе буферного усилителя 10 может быть передан в специализированную аппаратуру для измерения спектра вибрации. Выход сигнализатора 11 наличия сигнала позволяет контролировать исправность устройства.
Для пояснения способов применения устройства и технических возможностей, достигаемых при оснащении оборудования подобными устройствами, приведена на фиг.2 схема, поясняющая осуществление контроля за положением вращающегося объекта по осям X, Y, Z.
Вращающийся вал контролируется несколькими, в данном примере пятью, токовихревыми датчиками Д1-Д5, и пятью устройствами для диагностики линейных перемещений вращающихся деталей У1-У5, что позволяет системе сбора и обработки информации вычислительного комплекса управления производственным процессом определить:
- анализом информации о медленно меняющихся процессах по осям X, Y и Z, получаемой с устройств У3, У4 и У5, определить радиальный и осевой сдвиг вала, характеризующих долговременный износ и истирание элементов крепления вала и подшипников при осевых и боковых нагрузках.
- сравнением информации, поступающей с устройств У1, У2 и У3, определить изгиб вала.
- анализом информация о величине быстроменяющихся процессов в осевом направлении, получаемой с устройства У5, оценить изменения нагрузки на вал и изменить режим работы агрегата.
- анализом информации о величине быстроменяющегося процесса, получаемой с устройств У3 и У4, быстро определить возникновение и степень опасности дефектов в системе крепления вала и подшипниках, избежать работы вала на резонансных частотах вращения.
-анализом сигнализации наличия сигналов с датчиков определить неисправность датчика или устройства и исключить анализ получаемой информации с этого устройства.
Сигнал о величине быстроменяющегося процесса с любого устройства, являющийся по сути сигналом о величине вибрации, позволяет зафиксировать резкие изменения нагрузки на агрегат, разбаланс или изгиб вала, возникновение резонансных явлений, и принять решение о дальнейшей эксплуатации, изменении режимов работы или аварийном останове оборудования. Количество устанавливаемых устройств определяется техническими требованиями на степень защиты агрегата.