УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МНОГОКООРДИНАТНЫХ СМЕЩЕНИЙ ТОРЦОВ ЛОПАТОК
DEVICE TO MEASURE MULTI-COORDINATE SHIFTS OF BLADE ENDS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения многокоординатных смещений торцов лопаток в турбомашинах.
Известно устройство, содержащее одновитковый вихретоковый датчик, источник постоянного напряжения, ключ, дифференцирующее устройство в виде трансформатора, парафазный усилитель и амплитудный детектор (Пат. РФ №1827527 “Устройство для измерения линейных перемещений”, МПК G01B 7/30, 1993).
Недостатком такого устройства являются низкое быстродействие, обусловленное межвитковой емкостью дифференцирующего трансформатора, и повышенные габариты его вторичной преобразовательной части из-за наличия моточного изделия (дифференцирующего трансформатора).
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, содержащее источник постоянного напряжения, ключ, рабочий и компенсационный одновитковые вихретоковые датчики, два резистора и усилитель, причем выход источника постоянного напряжения соединен с входом ключа, выход ключа соединен с первыми выводами рабочего и компенсационного датчика, второй вывод рабочего датчика соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод компенсационного датчика соединен с первым выводом второго резистора (“Кластерные методы и средства измерения деформаций статора и координат смещений торцов лопаток и лопастей в газотурбинных двигателях” / Под ред. Скобелева О.П. - М.: Машиностроение, 2011, 298 с.).
Недостатком устройства является низкое быстродействие, которое хотя и возрастает по сравнению с аналогом, тем не менее, серьезно ограничено величиной частоты единичного усиления усилителя, с помощью которого реализуется дифференцирующее устройство, а также малая чувствительность.
Цель изобретения - повышение быстродействия и чувствительности устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее источник постоянного напряжения, ключ, рабочий и компенсационный одновитковые вихретоковые датчики, два резистора и первый усилитель, причем выход источника постоянного напряжения соединен с входом ключа, выход ключа соединен с первыми выводами рабочего и компенсационного датчика, второй вывод рабочего датчика соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод компенсационного датчика соединен с первым выводом второго резистора, введены второй и третий усилители, инвертирующий вход второго усилителя соединен с первым выводом первого резистора, выход второго усилителя соединен со вторым выводом первого резистора, образуя первый преобразователь ток - напряжение, инвертирующий вход третьего усилителя соединен с первым выводом второго резистора, выход третьего усилителя соединен со вторым выводом второго резистора, образуя второй преобразователь ток - напряжение, выходы первого и второго преобразователей ток - напряжение соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами первого усилителя, используемого в режиме усилителя разности напряжений.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства для измерения многокоординатных смещений.
На фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства.
На фиг.3 представлены временные диаграммы, поясняющие увеличение чувствительности заявляемого устройства по сравнению с прототипом.
Устройство для измерения многокоординатных смещений торцов лопаток содержит источник постоянного напряжения 1, ключ 2, рабочий и компенсационный одновитковый вихретоковый датчики 3 и 4, представленные двухконтурными схемами замещения, первый и второй резисторы 5 и 6 соответственно, первый усилитель 7, второй усилитель 8, третий усилитель 9, первый преобразователь ток - напряжение 10, второй преобразователь ток - напряжение 11, усилитель разности напряжений 12.
Выход источника постоянного напряжения 1 соединен с входом ключа 2, выход ключа 2 соединен с первыми выводами рабочего 3 и компенсационного 4 датчика, второй вывод рабочего датчика 3 соединен с первым выводом первого резистора 5, второй вывод компенсационного датчика 4 соединен с первым выводом второго резистора 6. Первый вывод первого резистора 5 соединен с инвертирующим входом второго усилителя 8, второй вывод первого резистора 5 соединен с выходом второго усилителя 8, образуя первый преобразователь ток-напряжение 10. Первый вывод второго резистора 6 соединен с инвертирующим входом третьего усилителя 9, второй вывод второго резистора 6 соединен с выходом третьего усилителя 9, образуя второй преобразователь ток-напряжение 11. Выходы первого 10 и второго 11 преобразователей ток-напряжение соединены с инвертирующим и неинвертирующим входами соответственно первого усилителя 7, используемого в режиме усилителя разности напряжений 12.
1
2
<mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mn>1,2</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>i</mi><mrow><mn>1,2</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow>
Устройство работает следующим образом. После замыкания ключа 2 источник постоянного напряжения 1 в течение интервала времени замыкания Δt оказывается включенным в два контура (фиг.2, график 1), в которых протекают экспоненциально нарастающие токи. При наличии разбаланса индуктивностей датчиков, вызванного взаимодействием рабочего датчика с объектом, они отличаются друг от друга. При малом интервале времени Δt эти токи [i(t) и i(t), фиг.2, график 2] могут считаться линейно нарастающими со скоростью прямо пропорциональной производной нарастающей экспоненты, и по окончанию интервала Δt они достигают значения
.
1
2
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>u</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><msub><mi>u</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">]</mo></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow>
В преобразователях ток - напряжение 10 и 11 токи преобразуются в напряжения u(t) и u(t) (фиг.2, график 3). Следовательно, при достаточно малом интервале времени Δt по его окончанию на выходе масштабирующего усилителя 12 напряжение достигает значения
(фиг.2, график 4).
Таким образом, устройство сохраняет свойственное прототипу подавление влияния диссипативного параметра датчика, обусловленное наличием операции дифференцирования, а время фиксации результата измерения не связано со временем достижения максимума выходного колоколообразного сигнала производной, а определяется существенно меньшей величиной Δt.
Уменьшение длительности импульса питания Δt приводит к уменьшению энергии, запасенной в элементах устройства, и сокращению времени рассеяния этой энергии до заданного уровня, что позволяет увеличить частоту коммутации ключа, то есть количество измерений за время нахождения торца лопатки в зоне чувствительности датчика.
<mrow><mi>i</mi><mo>'</mo><msub><mo>|</mo><mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>E</mi><mi>L</mi></mfrac></mrow>
Кроме того, в заявляемом устройстве по сравнению с прототипом увеличивается постоянная времени датчика, определяемая теперь только его индуктивностью и сопротивлением. Это приводит к тому, что, несмотря на равенство скорости изменения тока через датчик в заявляемом устройстве и прототипе в начале преобразования (
, где Е - напряжение источника, L - индуктивность датчика) в момент времени фиксации результата измерения у заявляемого устройства эта скорость больше, чем у прототипа (фиг.3).
Увеличение скорости изменения тока через датчик приводит согласно закону электромагнитной индукции к наведению большей эдс в лопатке, под действием которой там возникают большие вихревые токи, электромагнитное поле которых сильнее изменяет первичное поле и, следовательно, индуктивность рабочего датчика. Таким образом, обеспечивается большая по сравнению с прототипом чувствительность.