УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR MEASURING VIBRATION OF HIGH-VOLTAGE ELEMENTS (VERSIONS)

Предлагаемое изобретение относится к устройствам контроля вибрации конструктивных элементов, находящихся под высоким напряжением, например выводов обмоток генераторов мощных гидроагрегатов.
Известны устройства контроля вибрации с открытым оптическим каналом, содержащие лазерный излучатель, приемник отраженного света и преобразователь изменений светового пучка в электрический сигнал [Industrial laser Doppler vibrometer-Type 8338, Brül&Kjǽr, april, 2007].
Устройства такого типа недостаточно надежны в эксплуатации для обеспечения постоянного контроля, поскольку поверхность контролируемого узла может загрязняться, приемная часть устройства не должна подвергаться вибрации, а срок службы лазерных излучателей в непрерывном режиме сравнительно мал.
Известно устройство для измерения вибрации высоковольтных элементов с использованием датчиков FOA-100, содержащее измерительную головку из диэлектрического материала, в которой установлена зеркальная мембрана, которая соединена с измерительным узлом световодом в защитной диэлектрической трубке [Jackson Lin. Applying stator end-winding vibration monitoring technology at the J.H.Campbell generation plant. Iris rotating machine conference, San Antonio, June 10-13,2002, p.1-7, и «Системы измерения обмоток статора генератора», http://www.vibrosystm.com]. Частотный диапазон такого устройства от 30 до 350 Гц, что позволяет контролировать только вибрации, связанные с электрическими процессами, в то время как средства контроля вибрации, например, для гидроэнергетического оборудования должны обеспечивать контроль в диапазоне частот от 1 до 20 Гц [ГОСТ 26044-83. Вибрация. Аппаратура для эксплуатационного контроля вибрационного состояния энергетических гидротурбинных агрегатов. Общие технические требования. 1984 г.].
Наиболее близким к предложенному и выбранным в качестве прототипа является устройство для измерения вибрации высоковольтных элементов, содержащее измерительную головку в виде полого диэлектрического корпуса, в котором имеется упругий элемент, одна сторона которого закреплено на корпусе, а на противоположной стороне упругого элемента закреплена инерционная масса, выход измерительной головки соединен диэлектрической трубкой с входом измерительного узла, который содержит усилитель, выход которого соединен с формирователем выходного сигнала, выход которого является выходом устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов [United States patent application publication, US 2008/0041162, 21.02.2008].
Это устройство не обеспечивает измерения вибрации в области низких и инфранизких частот и работает на основе использования эффекта Доплера световых сигналов, и для обеспечения стабильных показаний конструктивные элементы, образующие измерительный узел, должены обеспечивать отсутствие вибраций входящих в него элементов.
Целью изобретения является обеспечение измерений в более широком диапазоне частот, включающем низкие и инфранизкие частоты, и расширение области применения за счет снижения ограничений на уровень вибраций в месте установки измерительного узла.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения вибрации высоковольтных элементов, содержащем измерительную головку в виде полого диэлектрического корпуса, в котором имеется упругий элемент, одна сторона которого закреплена на корпусе, а на противоположной стороне упругого элемента закреплена инерционная масса, выход измерительной головки соединен диэлектрической трубкой с входом измерительного узла, который содержит усилитель, выход которого соединен с формирователем выходного сигнала, выход которого является выходом устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов, упругий элемент выполнен в виде упругой камеры, а измерительный узел содержит датчик давления, вход которого является входом измерительного узла, а выход датчика давления соединен с входом усилителя.
Другое отличие устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов состоит в том, что в качестве датчика давления использован микрофонный капсюль.
Другое отличие устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов состоит в том, что инерционная масса и полый диэлектрический корпус образуют демпфирующий элемент.
Другое отличие устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов состоит в том, что инерционная масса, а также дополнительная инерционная масса и полый диэлектрический корпус образуют демпфирующие элементы.
Другое отличие устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов состоит в том, что соединение упругой камеры с корпусом выполнено через механический фильтр.
Другое отличие устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов состоит в том, что усилительный элемент содержит операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый резистор соединен с входом усилительного элемента, выход которого соединен с выходом операционного усилителя, который соединен через второй резистор с его инвертирующим входом, выход операционного усилителя соединен через конденсатор с его инвертирующим входом, а неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общей шиной.
Поставленная цель во втором варианте исполнения достигается тем, что в устройстве для измерения вибрации высоковольтных элементов содержащем измерительную головку в виде полого диэлектрического корпуса, в котором имеется упругий элемент, основание которого закреплено на корпусе, а на противоположной стороне упругого элемента закреплена инерционная масса, выход измерительной головки соединен диэлектрической трубкой с входом измерительного узла, который содержит усилитель, выход которого соединен с формирователем выходного сигнала, выход которого является выходом устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов, упругий элемент выполнен в виде упругой камеры, боковая сторона которой перпендикулярна основанию и закреплена на боковой стороне корпуса, на противоположной стороне упругой камеры закреплена дополнительная инерционная масса, а измерительный узел содержит датчик давления, вход которого является входом измерительного узла, а выход датчика давления соединен с входом усилителя.
Другое отличие устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов состоит в том, что в качестве датчика давления использован микрофонный капсюль.
Другое отличие устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов состоит в том, что в качестве механического фильтра использована эластичная прокладка.
Другое отличие устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов состоит в том, что соединение упругой камеры с корпусом выполнено через механические фильтры.
Другое отличие устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов состоит в том, что в качестве механического фильтра использована эластичная прокладка.
Другое отличие устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов состоит в том, что усилительный элемент содержит операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый резистор соединен с входом усилительного элемента, выход которого соединен с выходом операционного усилителя, который соединен через второй резистор с его инвертирующим входом, выход операционного усилителя соединен через конденсатор с его инвертирующим входом, а неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общей шиной.
Поставленная цель в третьем варианте исполнения достигается тем, что в устройстве для измерения вибрации высоковольтных элементов, содержащем измерительную головку в виде полого диэлектрического корпуса, в котором имеется упругий элемент, основание которого закреплено на корпусе, а на противоположной стороне упругого элемента закреплена инерционная масса, выход измерительной головки соединен диэлектрической трубкой с входом измерительного узла, который содержит усилитель, выход которого соединен с формирователем выходного сигнала, выход которого является выходом устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов, упругий элемент выполнен в виде упругой камеры, две взаимно перпендикулярные боковые стороны которой перпендикулярны основанию и закреплены на боковых сторонах корпуса, на противоположных боковых сторонах упругой камеры закреплены дополнительные инерционные массы, а измерительный узел содержит датчик давления, вход которого является входом измерительного узла, а выход датчика давления соединен с входом усилителя.
Другое отличие устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов состоит в том, что в качестве датчика давления использован микрофонный капсюль.
Другое отличие устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов состоит в том, что инерционная масса, а также дополнительные инерционные массы и полый диэлектрический корпус образуют демпфирующие элементы.
Другое отличие устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов состоит в том, что соединение упругой камеры с корпусом выполнено через механические фильтры.
Другое отличие устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов состоит в том, что в качестве механического фильтра использована эластичная прокладка.
Другое отличие устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов состоит в том, что усилительный элемент содержит операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый резистор соединен с входом усилительного элемента, выход которого соединен с выходом операционного усилителя, который соединен через второй резистор с его инвертирующим входом, выход операционного усилителя соединен через конденсатор с его инвертирующим входом, а неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общей шиной.
На фиг.1. показана структура устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов по первому варианту исполнения. На фиг.2. показана структура устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов по второму варианту исполнения. На фиг.3. показана структура устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов по третьему варианту исполнения. На фиг. 4 и 5 приведены примеры выполнения измерительных головок, в которых инерционные массы и корпус образуют демпфирующий элемент за счет малой величины зазора между ними. На фиг.6 и 7 показано выполнение соединения упругой камеры с корпусом через механический фильтр, в качестве которого может быть использована эластичная прокладка. На фиг.8 показан пример структурной схемы усилительного узла. На фиг.9 показаны графики амплитудно-частотных характеристик устройства.
Устройство для измерения вибрации высоковольтных элементов по первому варианту выполнения содержит измерительную головку 1 в виде полого диэлектрического корпуса 2, в котором имеется упругий элемент 3, одна сторона которого закреплена на корпусе 2, а на противоположной стороне упругого элемента закреплена инерционная масса 4, выход измерительной головки соединен диэлектрической трубкой 5 с входом измерительного узла 6, который содержит усилитель 7, выход которого соединен с формирователем 8 выходного сигнала, выход 9 которого является выходом устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов, упругий элемент 3 выполнен в виде упругой камеры, а измерительный узел 6 содержит датчик давления 10, вход которого является входом измерительного узла 6, а выход датчика давления 10 соединен с входом усилителя 7.
Устройство для измерения вибрации высоковольтных элементов, выполненное по второму варианту исполнения, содержит измерительную головку 1 в виде полого диэлектрического корпуса 2, в котором имеется упругий элемент 3, основание которого закреплено на корпусе 2, а на противоположной стороне упругого элемента 3 закреплена инерционная масса 4, выход измерительной головки 1 соединен диэлектрической трубкой 5 с входом измерительного узла 6, который содержит усилитель 7, выход которого соединен с формирователем 8 выходного сигнала, выход которого является выходом 9 устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов, упругий элемент 3 выполнен в виде упругой камеры, боковая сторона которой перпендикулярна основанию и закреплена на боковой стороне корпуса 2, на противоположной стороне упругой камеры закреплена дополнительная инерционная масса 11, а измерительный узел 6 содержит датчик давления 10, вход которого является входом измерительного узла 6, а выход датчика давления 10 соединен с входом усилителя 7.
Устройство для измерения вибрации высоковольтных элементов по третьему варианту исполнения содержит измерительную головку 1 в виде полого диэлектрического корпуса 2, в котором имеется упругий элемент 3, основание которого закреплено на корпусе 2, а на противоположной стороне упругого элемента закреплена инерционная масса 4, выход измерительной головки 1 соединен диэлектрической трубкой 5 с входом измерительного узла 6, который содержит усилитель 7, выход которого соединен с формирователем 8 выходного сигнала, выход которого является выходом 9 устройства для измерения вибрации высоковольтных элементов, упругий элемент 3 выполнен в виде упругой камеры, две взаимно перпендикулярные боковые стороны которой перпендикулярны основанию и закреплены на боковых сторонах корпуса 2, на противоположных боковых сторонах упругой камеры закреплены дополнительные инерционные массы 11 и 12, а измерительный узел содержит датчик давления, вход которого является входом измерительного узла, а выход датчика давления соединен с входом усилителя.
Измерительная масса и дополнительные измерительные массы могут быть связаны с корпусом демпфирующим элементом 13, а соединение упругой камеры с корпусом может быть выполнено через механический фильтр 14.
Усилительный элемент 7, при выполнении его в соответствии со схемой на фиг.8, содержит операционный усилитель 15, инвертирующий вход которого через первый резистор 16 соединен с входом усилительного элемента 7, выход которого соединен с выходом операционного усилителя 15, который соединен через второй резистор 17 с его инвертирующим входом, выход операционного усилителя 15 соединен через конденсатор 18 с его инвертирующим входом, а неинвертирующий вход операционного усилителя 15 соединен с общей шиной 19.
Устройство работает следующем образом. Измерительная головка 1 устанавливается на контролируемой детали, например на высоковольтной шине вывода обмотки генератора. При наличие вибрации инерционная масса 4 действует на упругую камеру 3 с силой, пропорциональной величине ускорения и массе 4. Возникающие в упругой камере пульсации давления передаются по диэлектрической трубке 5 на вход датчика давления 10, который преобразует эти пульсации в электрический сигнал, усиливаемый усилителем 7. Полученный на выходе усилителя 7 сигнал преобразуется в формат требуемого интерфейса передачи данных формирователем 8 и передается на выход 9 устройства. К выходу 9 могут быть подключены устройства индикации или регистрации, а также система сбора данных на основе компьютера. Поскольку измерительная головка 1 гальванически не связана с измерительным узлом 6, высокое напряжение в месте установки измерительной головки 1 не может воздействовать на измерительный узел 6. Для снижения влияния переменных электрических и магнитных полей в месте установки измерительной головки 1 упругую камеру 3 и инерционную массу 4 целесообразно выполнить из диэлектрических материалов.
В зависимости от требуемого частотного диапазона измерений выбирается датчик давления 10. Если в качестве такого датчика используется датчик с нулевой нижней граничной частотой, например пьезорезистивный датчик давления, соответствующий нижний граничный частотный диапазон может быть обеспечен и для всего устройства. При использовании в качестве датчика давления 10 микрофонного капсюля можно обеспечить измерение частот в диапазоне до десятков килогерц.
Использование демпфирующих элементов 13, например, в виде узких зазоров между корпусом и инерционной массой позволяет ослабить подъем амплитудно-частотной характеристики в области механического резонанса.
Для снижения слияния резонанса механической системы, образуемой инерционной массой и упругой камерой, в устройстве измерительной головки могут быть предусмотрены элементы демпфирования, например, как показано на фиг.4, в виде узкого зазора между боковыми сторонами инерционной массы 4 и корпуса 2. В этом случае при прохождении воздуха через указанный зазор возникает сила трения, обеспечивающая демпфирование колебательного процесса.
Представленное описание соответствует исполнению устройства, показанному на фиг.1. Для этого устройства ось чувствительности соответствует вертикальному направлению, перпендикулярному поверхности, на которой закреплен датчик. Если необходимо контролировать и вибрацию в направлении, параллельном плоскости контролируемого объекта, в одном или двух взаимно перпендикулярных направлениях, устройство может быть выполнено, как показано на фиг.2 и 3, с дополнительными инерционными массами. Такое решение позволяет без существенного увеличения объема использованного оборудования обеспечить контроль за общим уровнем вибрации в месте установки измерительной головки. При этом работа устройств не имеет существенных отличий от уже описанной работы устройства, показанного на фиг.1.
Снизить влияние резонансных явлений можно за счет использования механического фильтра для крепления упругой камеры к корпусу. В качестве механического фильтра 14 может быть использована эластичная прокладка на основе двухсторонней клеящей ленты.
Дополнительное снижение резонансного подъема на амплитудно-частотной характеристике может быть обеспечено за счет выполнения усилительного элемента 7 со спадом коэффициента передачи в области частот, соответствующей резонансу, например по схеме, показанной на фиг.8. Частота среза усилительного элемента определяется постоянной времени RC цепочки, образованной конденсатором 18 и вторым резистором 17. Выбирая ее величину, близкой к частоте резонанса, можно компенсировать рост коэффициента преобразования при приближении к резонансу снижением коэффициента усиления элемента 7 и расширить частотный диапазон, в котором обеспечивается линейная амплитудно-частотная характеристика устройства.
cp
cp
общ
Расширение частотного диапазона иллюстрируется графиками на фиг.9. За счет наличия механического резонанса амплитудно-частотная характеристика измерительной головки и датчика давления имеет вид, показанный на графике 20, подъем характеристики приблизительно соответствует частоте ƒ. Усилительный элемент имеет амплитудно-частотную характеристику, показанную на графике 21, спад коэффициента передачи также начинается с частоты ƒ. За счет взаимной компенсации этих характеристик обеспечивается расширение частотного диапазона до частоты ƒ, как показано на графике 21.