Измеритель линейных перемещений
LINEAR DISPLACEMENT METER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля положения движущихся металлических частей роторных машин в энергетике, турбонасосных агрегатов в нефтегазовой промышленности и других областях.
Известен вихретоковый измеритель перемещений, содержащий вихретоковый датчик, генератор переменного напряжения, к выходу которого через токоограничивающий резистор подключен колебательный контур, в качестве индуктивности которого используется вихретоковый датчик, последовательно соединенные детектор, подключенный к колебательному контуру, и индикатор (см. а.с. СССР №1504492, G01B 7/06, 1988 г. - аналог). Рабочая частота генератора настроена на резонансную частоту колебательного контура, образованного параллельным включением катушки индуктивности вихретокового датчика и входного конденсатора. Приближение металлического объекта к обмотке вихретокового датчика приводит к «расстройке» и увеличению потерь в колебательном контуре и, как следствие, уменьшению переменного напряжения на нем, что и регистрируется индикатором.
Этот однообмоточный измеритель имеет нелинейную характеристику измерения, за счет нелинейно меняющейся от расстояния электромагнитной связи колебательного контура с контролируемым объектом. Кроме того, этот измеритель «не чувствует» перемещения металлического объекта вдоль своей поверхности, когда расстояние (зазор) между ними не меняется.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является измеритель перемещений, содержащий дифференциальный индуктивный датчик, измерительные обмотки которого подключены через первый и второй амплитудные детекторы к соответствующим входам дифференциального усилителя, выход которого соединен с индикатором. Обмотка возбуждения датчика подключена к выходу генератора возбуждения (см. патент РФ №2196960, G01B 7/00 от 20.01.2003 г).
Дифференциальный индуктивный датчик состоит из прямоугольного корпуса, выполненного из немагнитного металла. С открытой стороны корпуса датчика помещены прямоугольная обмотка возбуждения и две прямоугольные, одинаково выполненные измерительные обмотки, включенные навстречу друг другу. Они расположены симметрично по краям обмотки возбуждения в параллельных плоскостях с ней. Ширина измерительных обмоток примерно равна ширине обмотки возбуждения, а их длина не превышает половины ее длины. Металлический контролируемый объект установлен с возможность перемещения вдоль открытой части датчика и на некотором расстоянии относительно него.
Металлический объект, перемещаясь параллельно плоскости обмотки возбуждения, «возмущает» электромагнитное поле в пределах, охватываемых витками обмотки возбуждения, что приводит к разбалансу электрических сигналов, вырабатываемых измерительными обмотками. Величина разностного сигнала, вырабатываемого встречно включенными измерительными обмотками тем больше, чем больше смещение контролируемого объекта, от середины датчика к его краям. Максимальное перемещение объекта, контролируемое датчиком, определяется разностью между длиной обмотки возбуждения и шириной контролируемого объекта.
После детектирования амплитудными детекторами и усиления дифференциальным усилителем, разностный сигнал регистрируется индикатором.
Данный измеритель линейных перемещений по сравнению с предыдущим устройством имеет больший диапазон измерения и более высокую линейность между перемещением и выходным сигналом датчика за счет перемещения контролируемого объекта вдоль плоскости датчика и за счет дифференциального включения его измерительных обмоток. Однако при изменении (увеличении) расстояния (зазора) между датчиком и контролируемым объектом происходит изменение (ослабление) электромагнитной связи между катушкой возбуждения датчика и объектом, что приводит к изменению (уменьшению) чувствительности датчика и возникновению погрешности измерения линейного перемещения контролируемого объекта, которое не контролируется данным измерителем.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение функциональных возможностей измерителя за счет измерения зазора между контролируемым объектом и датчиком и учета этого параметра, благодаря чему повышается точность измерения линейного перемещения объекта и появляется возможность оперативного контроля зазора между датчиком и контролируемым объектом.
Поставленная задача решается за счет того, что в измеритель линейных перемещений, содержащий дифференциальный вихретоковый преобразователь, параллельно обмотке возбуждения которого подключен конденсатор, образующий с обмоткой возбуждения параллельный резонансный LC-контур, измерительные обмотки дифференциального вихретокового преобразователя подключены через первый и второй выпрямители соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального усилителя, индикатор и генератор, введены источник тока, амплитудный детектор, масштабный усилитель, второй индикатор и блок сравнения и вычисления, первый вход которого подключен к выходу масштабного усилителя, а второй вход блока сравнения и вычисления подключен к выходу дифференциального усилителя, первый выход блока сравнения и вычисления подключен к первому индикатору, а второй выход - к второму индикатору, вход источника тока подключен к выходу генератора, а выход - к параллельно соединенным обмотке возбуждения вихретокового преобразователя и конденсатору и к входу амплитудного детектора, выход которого подключен к входу масштабного усилителя.
Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1. На фиг. 2а и фиг. 2б показана конструкция вихретокового преобразователя 1.
Измеритель линейных перемещений (фиг. 1) содержит дифференциальный вихретоковый преобразователь 1, параллельно обмотке возбуждения 2 которого подключен конденсатор 3, образующий с ней параллельный резонансный LC-контур; измерительные обмотки 4, 5 дифференциального вихретокового преобразователя 1 подключены соответственно к первому 6  и второму 7 выпрямителям, выходы которых соединены с инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального усилителя 8, индикатор 9 и генератор 10.
Измеритель линейных перемещений содержит также источник тока 11, амплитудный детектор 12, масштабный усилитель 13, второй индикатор 14 и блок сравнения и вычисления 15, один вход которого подключен к выходу масштабного усилителя 13, а другой вход блока сравнения и вычисления 15 подключен к выходу дифференциального усилителя 8. Один выход блока сравнения и вычисления 15 подключен к первому индикатору 9, а второй выход блока сравнения и вычисления 15 подключен к второму индикатору 14. Вход источника тока 11 подключен к выходу генератора 10, а выход - к параллельному контуру, образованному обмоткой возбуждения 2 вихретокового преобразователя 1 и конденсатором 3, и к входу амплитудного детектора 12, выход которого подключен к входу масштабного усилителя 13.
Дифференциальный вихретоковый преобразователь 1 (фиг. 2) содержит прямоугольный металлический корпус 16. С открытой стороны корпуса 16 расположены прямоугольная обмотка возбуждения 2 и две прямоугольные, одинаково выполненные измерительные обмотки 4, 5, включенные навстречу друг другу. Они расположены симметрично по краям обмотки возбуждения 2 в параллельных плоскостях с ней. Ширина измерительных обмоток 4, 5 не превышает ширины обмотки возбуждения 2, а их длина не превышает половины ее длины. Обмотки 2, 4 и 5 могут быть выполнены, например, печатным способом из нескольких слоев спиральных намоток на диэлектрических подложках, собранных в слоеную таблетку. Причем, если слои намоток обмотки возбуждения будут чередоваться со слоями намоток измерительных обмоток, как это показано в прототипе, то это обеспечит, с одной стороны, максимальное потокосцепление измерительных обмоток 4, 5 с обмоткой возбуждения 2, с другой стороны, одинаковость зазора h между контролируемым объектом 17 и обмотками 2, 4 и 5 вихретокового преобразователя 1 (на фиг. 2 эта конструкция не показана). Такая конструкция позволяет улучшить его метрологические характеристики.
Металлический контролируемый объект 17, которым является измерительное кольцо ротора электрической машины, установлен с возможностью перемещения вдоль открытой части корпуса 16 вихретокового преобразователя 1 и на некотором расстоянии h≈1-3 мм относительно него. Ширина контролируемого объекта 17 (измерительного кольца ротора) обычно равна 20-40 мм.
При настройке измерителя снимается совокупность характеристик, показывающих зависимости напряжений на входах блока сравнения и вычисления 15 от продольного перемещения ±L при различных зазорах h между контролируемым объектом 17 и вихретоковым преобразователем 1, и они записываются в память блока сравнения и вычисления 15, чтобы при измерениях на агрегате внести необходимые поправки и существенно повысить точность измерения перемещения ±L на индикаторе 9 и зазора h индикатором 14.
11
11
г
kmax
г
kmax
max
max
Устройство работает следующим образом. Генератор 10 вырабатывает высокочастотное синусоидальное напряжение на резонансной частоте контура, образованного параллельным соединением обмотки возбуждения 2 и конденсатором 3, которое подается на него через источник тока 11. Амплитуда тока I источника тока 11 установлена равной I≈U/2 Z, где U - амплитуда высокочастотного напряжения, вырабатываемого генератором 10, Z - полное сопротивление колебательного контура при зазоре h=h, где h - максимально возможный зазор, возникающий между вихретоковым преобразователем 1 и контролируемым объектом 17 в процессе работы агрегата.
max
Если при перемещении контролируемого объекта 17 вдоль вихретокового преобразователя 1 зазор h между ними не меняется, то не меняется электромагнитная связь между обмоткой возбуждения 2 и объектом 17, а следовательно, и потери, вносимые контролируемым объектом 17 в обмотку возбуждения 2, остаются постоянными. Высокочастотное напряжение, поступающее с обмотки возбуждения 2 на амплитудный детектор 12, остается постоянным, поэтому, после детектирования и усиления масштабным усилителем 13, сигнал на втором входе блока сравнения и вычисления 15 и на втором индикаторе 14 остается постоянным и в исходном положении соответствует величине зазора h≈h/2.
4
5
8
max
В то же время металлический объект 17, перемещаясь параллельно плоскости обмотки возбуждения 2, «возмущает» электромагнитное поле, принимаемое измерительными обмотками 4 и 5, что приводит к рассогласованию напряжений U, U, вырабатываемых измерительными обмотками 4, 5, а следовательно, и на выходах выпрямителей 6 и 7. В результате на выходе дифференциального усилителя 8 вырабатывается разностное напряжение U. Величина этого разностного напряжения тем больше, чем больше смещение L контролируемого объекта 17 от середины обмотки возбуждения 2 к ее краям. Максимальное перемещение ±Lобъекта 17, контролируемое вихретоковым преобразователем 1, определяется разностью между длиной обмотки возбуждения 2 и шириной контролируемого объекта 17.
8
8
k
4
5
45
Разностное напряжение U поступает на первый вход блока сравнения и вычисления 15. В исходном состоянии вихретоковый измеритель перемещений устанавливается симметрично относительно контролируемого объекта 17, что обеспечивает нулевую разность напряжений U=0, а следовательно, и показаний индикатора перемещения 9. При увеличении зазора h электромагнитная связь между обмоткой возбуждения 2 и объектом 17 уменьшается, что приводит к увеличению полного сопротивления Z колебательного контура и, следовательно, к увеличению падения высокочастотного напряжения на обмотке возбуждения 2. Это приводит, с одной стороны, к увеличению напряжений U и U на измерительных обмотках 4, 5, а следовательно, и их разности ΔU и на первом входе блока сравнения и вычисления 15, который корректирует и сохраняет неизменными показания индикатора перемещения 9, с другой стороны, к увеличению сигнала на выходе амплитудного детектора 12, а следовательно, и на втором входе блока сравнения и вычисления 15, и соответствующему увеличению показаний индикатора зазора 14.
Введение и соответствующее подключение новых элементов в измеритель перемещений обеспечивает расширение его функциональных возможностей за счет одновременного измерения продольного L и поперечного h перемещений контролируемого объекта.
Кроме того, сняв, при настройке измерителя, совокупность характеристик, показывающих зависимости напряжений на входах блока сравнения и вычисления 15 от продольного перемещения ±L при различных зазорах h между контролируемым объектом 17 и вихретоковым преобразователем 1, и записав их в память блока сравнения и вычисления 15, можно существенно повысить точность измерения перемещения ±L на индикаторе 9 за счет учета и одновременного измерения зазора h индикатором 14.