СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ МНОГОКООРДИНАТНЫХ СМЕЩЕНИЙ ТОРЦОВ ЛОПАТОК ОДНОВИТКОВЫМ ВИХРЕТОКОВЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
METHOD FOR REDUCING TEMPERATURE ERROR OF MEASUREMENT OF MULTICOORDINATE DISPLACEMENTS OF BLADE ENDS BY SINGLE-COIL EDDY-CURRENT TRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для уменьшения температурной погрешности, возникающей при измерении перемещений электропроводящих объектов в условиях воздействия высоких температур.
Известен способ уменьшения температурной погрешности, при котором обмотка преобразователя выполняется проводом из материала с термостабильными характеристиками (Прокопьев В.Н., Иванов В.В., Рунг Э.Р., Волченко Г.Н. Исследование погрешностей измерения траекторий центра шеек коленчатого вала подшипников двигателя внутреннего сгорания. // Научные труды. / Челябинский политехнический институт, 1972, №119, с.39-51).
Недостатком способа является низкая чувствительность к измеряемому параметру, обусловленная значительной активной составляющей суммарного сопротивления преобразователя из-за большого удельного сопротивления материала провода.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ уменьшения температурной погрешности, для реализации которого в одновитковом вихретоковом преобразователе во внутреннем проводнике его коаксиального токовода, соединяющего чувствительный элемент с объемным витком согласующего трансформатора, располагают термопару, горячий спай которой находится внутри токовода у его торца, обращенного к чувствительному элементу, экспериментально определяют семейства градуировочных характеристик во всем диапазоне температур, а также измеряют термопарой текущие значения температуры («Методы и средства измерения многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок» под ред. Секисова Ю.Н., Скобелева О.П. - Самара, Самарский научный центр РАН, 2001, 188 с.). В случае определения осевых (х) и радиальных (y) смещений торца лопатки кластером из двух одновитковых вихретоковых преобразователей указанные смещения определяются путем решения системы уравнений
<mrow><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>С</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>,</mo><mi>Θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>С</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>,</mo><mi>Θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
1
2
где C, C - результаты преобразования индуктивностей преобразователей в код, Θ - результат измерения температуры термопарой.
Во избежание экранирующего воздействия торца внутреннего проводника коаксиального токовода на чувствительный элемент он удален от последнего на расстояние, равное длине чувствительного элемента. На это же расстояние не доходит до чувствительного элемента и горячий спай термопары. Преобразователи кластера на объекте устанавливаются таким образом, что объемный виток согласующего трансформатора размещается с внешней стороны статорной оболочки в зоне низких температур. Большой температурный перепад между средой в газовоздушном тракте и внешней по отношению к статорной оболочке воздушной средой создает тепловой поток в тоководе и, следовательно, температурный перепад на участке между чувствительным элементом и горячим спаем термопары, что приводит к недостаточному учету влияния температуры на результат измерения координат смещения и, следовательно, к дополнительной погрешности.
Цель изобретения - повышение точности измерения координатных составляющих смещений торца лопатки за счет более полного учета влияния температуры среды в зоне измерения на результат.
Указанная цель достигается тем, что в известном способе уменьшении влияния температуры, при котором в одновитковом вихретоковом преобразователе во внутреннем проводнике его коаксиального токовода, соединяющего чувствительный элемент с объемным витком согласующего трансформатора, располагают термопару, горячий спай которой находится внутри токовода у его торца, обращенного к чувствительному элементу, экспериментально определяют семейства градуировочных характеристик во всем диапазоне температур, а также измеряют термопарой текущие значения температуры и по значениям выходных сигналов преобразователей на основе семейств градуировочных характеристик вычисляют координатные составляющие смещения торцов лопаток относительно чувствительных элементов, дополнительно располагают вторую термопару так, что ее горячий спай оказывается в месте контакта токовода с объемным витком согласующего трансформатора, а температура чувствительного элемента, учитываемая при вычислении координатных составляющих, определяется как
<mrow><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Ч</mi><mi>Э</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>П</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>П</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>П</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
ТП1
ТП2
1
2
где Θ - температура в области расположения горячего спая первой термопары, размещенной во внутреннем проводнике коаксиального токовода; Θ - температура в области расположения горячего спая второй термопары, размещенной в месте контакта токовода с объемным витком согласующего трансформатора; l, l - расстояния от чувствительного элемента до горячего спая первой и второй термопары соответственно.
На фиг.1 представлено схематическое упрощенное изображение статорной оболочки 1 и преобразователя 2, состоящего из чувствительного элемента 3, упрощенно представленного токовода 4, в котором два соосных цилиндрических проводника заменены одним цилиндром, согласующего трансформатора 5 и встроенных в токовод термопар 6 и 7. Упрощение произведено ради удобства анализа теплообмена между элементами конструкции преобразователя и окружающей средой.
На фиг.2 представлена модель передачи тепла в тоководе с двумя термопарами.
1
ТП1
1
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>R</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>.</mo><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Ч</mi><mi>Э</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Т</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>Θ</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Т</mi><msub><mi>П</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>+</mo><mi>q</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>.</mo></mrow>
Определение температуры среды в зоне расположения чувствительного элемента (ЧЭ), используемой для термокоррекции, осуществляется следующим образом. В соответствии с моделью передачи тепла (фиг.2) можно записать, что температура ЧЭ определяется температурой, измеренной первой термопарой (ТП) (Θ) и перепадом температур между ЧЭ и горячим спаем (ГСп) ТП, т.е. перепадом температур на тепловом сопротивлении
2
1
1
2
При этом тепловой поток q можно вычислить по перепаду температур на тепловом сопротивлении R, от ГСп ТП до согласующего трансформатора (СТ) и найденному в результатах измерений ТП и ТП
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Т</mi><msub><mi>П</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Т</mi><msub><mi>П</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
С учетом выражения для теплового потока формулу для определения температуры можно записать как
<mrow><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Ч</mi><mi>Э</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Т</mi><msub><mi>П</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Т</mi><msub><mi>П</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Т</mi><msub><mi>П</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>λ</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>λ</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>r</mi><mn>2</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>r</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
В то же время
где l, l - длины рассматриваемых участков токовода,
- площадь его сечения, а λ - коэффициент теплопроводности материала токовода.
<mrow><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Ч</mi><mi>Э</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Т</mi><msub><mi>П</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Т</mi><msub><mi>П</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>Θ</mi><mrow><mi>Т</mi><msub><mi>П</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>С</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>,</mo><mi>Θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>С</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>,</mo><mi>Θ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>.</mo></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
Окончательно выражение для температуры ЧЭ можно записать как
Это значение температуры и используется затем для определения осевых и радиальных смещений путем решения системы уравнении