ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И ВИБРАЦИЙ
SENSOR OF LINEAR DISPLACEMENTS AND VIBRATIONS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля линейных перемещений и вибраций различных узлов и оборудования, например, на атомных электростанциях, а также на объектах химической промышленности с вредными условиями труда. На атомных электростанциях процесс выработки тепла связан с преобразованием тепловой энергии в электричество. Через главные циркуляционные трубопроводы насосами прокачивается под большим давлением огромное количество горячей воды с температурой ~ +300°C. При таком технологическом режиме реакторное оборудование подвергается тепловому расширению и вибрации. Тепловые расширения трубопроводов контролируются датчиками линейного перемещения. Вибрация - это упругое механическое колебание с частотой более 1 Гц и малой амплитудой. Вибрация возникает, как правило, при работе электродвигателей насосов и других машин. При превышении установленных пределов люфта от оси вращения вибрация может приводить не только к нарушению режима работы, но даже к разрушению устройств. Когда нет средств устранения вибраций, то используют технические средства постоянного контроля для последующей возможной минимизации последствий. Контроль вибраций оборудования должен осуществляться датчиками вибраций. В настоящее время в промышленном исполнении нет датчиков для регистрации вибраций на частотах от 1 Гц, способных продолжительно работать при температурах более +200°С в радиационной среде при повышенной влажности.
Известен взятый в качестве прототипа датчик линейного перемещения, который содержит корпус, внутри которого на каркасе размещены две дифференциально соединенные обмотки, которые подключены по схеме индуктивного полумоста к генератору несущей частоты и дополнены в нем парой одинаковых сопротивлений до полного моста; установленный с возможностью перемещения относительно обмоток ферромагнитный сердечник, подпружиненный относительно корпуса выдвижной шток, размещенный соосно с ним контактный наконечник, электромагнитный калибратор, выполненный в виде ферромагнитного якоря и закрепленный на штоке катушки, размещенный внутри штока реверсивный подшипник, согласно изобретению ферромагнитный сердечник датчика закреплен на штоке, а контактный наконечник соединен с якорем, установлен в реверсивный подшипник и выполнен с грибкообразной головкой, взаимодействующей со свободным торцом штока своей плоской частью; калибровка датчика осуществляется за счет калибратора, а надетый на шток ферромагнитный сердечник перемещается относительно измерительных обмоток и вызывает разбаланс моста, который измеряется и соответствует определенному перемещению объекта (патент РФ №2037769, опубл. 19.06.95 г., бюл. №17). Процесс регистрации перемещений объекта таким датчиком проводится после того, как корпус датчика установят около объекта и жестко фиксируют специальным крепежом. Этот датчик имеет калибровочную катушку, которая используется для калибровки датчика при измерении вибраций. Выдвижной шток прижимают к объекту таким образом, чтобы риска на штоке, определяющая середину выдвижного штока, была совмещена с краем корпуса датчика, а сигнал от измерительной обмотки равнялся нулю.
Основные технические характеристики такого датчика:
Диапазон измерения перемещений, мм.................................................±50
Пределы допускаемой приведенной погрешности измерения, %........±1
Диапазон частот, Гц................................................................................100
Величина вых. сигнала, В......................................................................0,34
Диаметр, мм...............................................................................................25
Длина, см...................................................................................................56
Диапазон рабочих температур....................................................15-120°С
Недостатками данного датчика являются:
1. Низкая эффективность измерительной обмотки, которая наматывается проводом толщиной 0,2 мм и обеспечивает выходное эффективное напряжение сигнала всего 0,34 В. Эксплуатация таких датчиков показала недостаточную линейность выходного сигнала при тепловых перемещениях.
2. Снижение точности работы датчика вследствие необходимости ручной регулировки при рассогласовании ферромагнитного сердечника и измерительной обмотки.
3. Низкая точность регистрации вибраций из-за ненадлежащей калибровки датчика.
4. При подаче постоянного напряжения на катушку калибратора измерительная обмотка смещается на 0,3 мм относительно неподвижного выдвижного штока. При этом величина сигнала датчика настолько мала для полноценной регистрации вибраций контролируемого объекта, что требует дополнительного усиления сигнала датчика с коэффициентом передачи не менее 100.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения безопасности, надежности и достоверности работы датчика как в режиме измерений линейных (тепловых) перемещений, так и в режиме регистрации вибраций объекта.
Для получения такого технического результата предлагается в датчике линейных перемещений поднять эффективность основной измерительной обмотки за счет намотки проводом меньшего диаметра, что позволит увеличить выходной сигнал датчика, а на место калибратора установить дополнительный измерительный узел, содержащий вторую измерительную обмотку вместе с собственным ферромагнитным сердечником, для обеспечения регистрации вибраций.
Отличительным признаком предлагаемого датчика является увеличение действующего напряжения выходного сигнала измерительной обмотки для регистрации тепловых линейных перемещений до 1,5-2,0 В за счет увеличения плотности (энергии) электромагнитного поля измерительной катушки при увеличении числа витков основной измерительной обмотки (3) проводом толщиной 0,1 мм. Это, в свою очередь, позволит снизить приведенную погрешность измерения до 0,3%. Установка расположенного на противоположном конце каркаса выдвижного штока дополнительного измерительного узла для измерения вибраций расширяет возможности и увеличивает эффективность датчика в целом.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 представлен общий вид датчика линейных перемещений и вибраций, где под цифровыми указателями представлены основные конструктивные элементы датчика.
Датчик (1) содержит (см. фиг. 1) корпус выдвижного штока (2), пружины (5, 8, 10, 18, 23), подшипники (6, 7, 9, 25), опорные шайбы (17, 24), контактный наконечник (16), тягу (27), гильзу (26), каркас (30), измерительные обмотки (3, 21), ферромагнитные сердечники (4, 20), ограничительные шайбы (19, 29), фторопластовую втулку (28), утяжелитель (22), проставку (13), гайку (14), соединительный кабель (15). Корпус выдвижного штока (2) имеет цилиндрический вид. При освобождении штока (2) пружина (10) всегда возвращает его в крайнее левое положение. Ферромагнитные сердечники (4, 20), расположенные на тяге (27), которая представляет собой металлический штырь толщиной 2,5 мм, выполнены из отожженного сплава 14ХН2 при толщине диаметра 4 мм, имеют длину, равную длине измерительных обмоток. Каркас (30) представляет собой металлическую втулку диаметром 6 мм и толщиной 0,3 мм и является продолжением корпуса выдвижного штока (2). На каркасе (30) через изолирующий слой из лакоткани наматывается измерительная обмотка (3) для регистрации линейных перемещений, а на правом конце каркаса надета фторопластовая втулка (28) с измерительной обмоткой (21) для регистрации вибраций. Гильза (26) - металлическая трубка диаметром 9,2 мм и толщиной стенки 0,20 мм - надевается поверх каркаса (30) с измерительной обмоткой (3). Опорные шайбы (17, 24) установлены на конце каркаса (30) и закреплены на нем методом пайки по кругу. Между этими шайбами располагается дополнительный измерительный узел.
На фиг. 2 показана конструкция дополнительного измерительного узла датчика для регистрации вибраций. Дополнительный измерительный узел для измерения вибраций (см. фиг.1) расположен на противоположном конце тяги (27) каркаса (30) за опорной шайбой (17). В его состав входят: фторопластовая втулка (28), измерительная обмотка (21), утяжелитель (22) в виде цилиндра. Утяжелитель (22) соединен с ограничительными шайбами (19, 29) тремя винтовыми соединениями с каждой стороны через 120°. Лучшим материалом для утяжелителя послужит свинец. Втулка (28) изготовлена из материала фторопласт-4 в виде катушки с небольшими выступами по краям для насадки ограничительных шайб (19, 29) и должна иметь длину не менее 50 мм. Фторопластовая втулка (28) расположена на каркасе (30) и имеет с ним небольшой зазор. Измерительная обмотка (21) этого узла состоит из двух одинаковых дифференциально соединенных обмоток W3-W4. Измерительная обмотка намотана проводом 0,06 мм в 8-10 слоев с длиной намотки не более 10 мм на фторопластовой втулке (28), которая имеет минимальный коэффициент трения среди всех существующих полимерных материалов. Конструктивно дополнительный измерительный узел собран таким образом, чтобы при любой вибрации выдвижного штока (2) и соединенного с ним каркаса (30) измерительная обмотка (21) W3, W4 находилась в неподвижном состоянии над вибрирующим ферромагнитным сердечником (20), расположенным на тяге (27) выдвижного штока (2). При регистрации вибрации вибрирующий выдвижной шток (2) своим вторым ферромагнитным сердечником (20) изменяет электромагнитное поле дополнительного измерительного узла, который за счет своей конструкции и веса утяжелителя (22) удерживает фторопластовую втулку (28) с измерительной обмоткой (21) в неподвижном положении. Для демпфирования измерительного узла с обеих сторон утяжелителя (22) между ограничительными шайбами (19, 29) и опорными шайбами (17, 24) с зазором по длине расположены пружины сжатия слабой жесткости (18 и 23), которые, в свою очередь, опираются на неподвижные опорные шайбы (17, 24). Опорные шайбы (17, 24) закреплены методом пайки на корпусе каркаса (30), который конструктивно соединен с корпусом выдвижного штока (2). Толщина ограничительных шайб (19, 29) должна быть не менее 0,5 мм, а толщина опорных шайб (17, 24) - не более 1,0 мм. Работа измерительного узла осуществляется в условиях отсутствия трения между корпусом каркаса (30) и фторопластовой втулкой (28) измерительного узла. Материал фторопласт-4 является полимером фторсодержащих органических соединений, обладает исключительной химической стойкостью почти во всех кислотах и растворителях, а также теплостойкостью до +250°С. При незначительных механических нагрузках фторопласт-4 имеет очень низкий коэффициент трения. Пружины сжатия малой жесткости (18, 23) введены в конструкцию для демпфирования случайно возникающих небольших колебаний измерительного узла, чтобы он оставался неподвижным относительно вибрации ферромагнитного сердечника (20) тяги (27) выдвижного штока (2). Зазор между пружиной и стенкой утяжелителя может находиться в пределах от 0,3 до 0,8 мм. Для такого случая работы измерительного узла в качестве пружины малой жесткости подойдет пружина 1 класса длиной 7 мм, диаметром 8 мм с диаметром проволоки 0,6 мм, имеющая жесткость одного витка 3,139 Н/мм и наибольший прогиб 2,551 мм (см. Л1, табл. 11, позиция 139).
Если бы утяжелитель измерительного модуля имел непосредственный контакт с пружинами малой жесткости (18, 23), то его масса определялась бы из формулы 1.83 Л2:  (формула записана для грузика, расположенного между двумя пружинами с одинаковой жесткостью, когда силы трения достаточно малы), где М - масса груза, С - жесткость пружины, Т - период колебания, F - частота колебаний. Из предварительных испытаний массу утяжелителя можно принять равной 0,4-0,8 кг, поскольку при наличии зазоров практической и прямой нагрузки на пружины малой жесткости утяжелитель в датчике не оказывает.
При запитке измерительной обмотки этого измерительного узла sin напряжением f=5.0 кГц с действующим напряжением амплитудой 5.0 В на его выходе появится sin сигнал, пропорциональный частоте и амплитуде механической вибрации ферромагнитного сердечника (20) тяги (27) выдвижного штока (2). Выходной сигнал измерительной обмотки (21) дополнительного измерительного узла может достигать действующей величины в 3,5 В. Плотность электромагнитного поля (энергия) в измерительной катушке настолько велика, что позволяет регистрировать вибрации в единицах мкм.
На фиг. 3(А, В, С) представлены варианты положения выдвижного штока датчика при измерении линейных перемещений контролируемого объекта.
Работа датчика в режиме измерения тепловых линейных перемещений не отличается от работы подобных индукционных датчиков. Обычно они запитываются sin напряжением f=3-20 кГц с напряжением действующей амплитуды 5.0 В. Когда подвижный ферромагнитный сердечник (4), см. фиг. 3 А, находится в нулевом положении, то есть перекрывает измерительную обмотку (3), состоящую из одинаковых встречно включенных обмоток W1-W2, наведенное магнитное поле подвижного ферромагнитного сердечника (4) пересекает одинаковое количество витков плеч W1 и W2 измерительной обмотки (3) и наводит в них одинаковые электродвижущие силы (ЭДС). Так как выводы измерительных обмоток W1 и W2 включены встречно (противофазно), то на выходе напряжение полезного сигнала Uвых равно нулю (см. фиг. 3 А). При смещении подвижного ферромагнитного сердечника (4) вдоль измерительной катушки в любую из сторон (см. фиг. 3 В и С) на общем сигнальном выводе измерительных обмоток W1 и W2 напряжение полезного сигнала Uвых будет иметь амплитуду, пропорциональную смещению подвижного ферромагнитного сердечника (4) относительно нулевого положения, что является информацией о величине смещения. Фаза же напряжения полезного сигнала Uвых является информацией о направлении смещения подвижного ферромагнитного сердечника (4) относительно нулевого положения. На практике принято, если выдвижной шток полностью выдвинут, то сигнал с датчика должен быть положительным, а если выдвижной шток вдавлен в корпус датчика, то сигнал датчика должен быть отрицательным. На представленных фигурах видно, что выдвижной шток (2) и его ферромагнитный сердечник (4) перемещаются относительно неподвижной измерительной обмотки (3). Это замечание касается левой части фиг. 3 А, В и С, отвечающей за работу датчика в режиме линейных перемещений контролируемого объекта. Работа датчика в режиме регистрации вибраций отображается правой стороной фиг. 3 А, В и С. На всех трех фигурах видно, что при любом перемещении выдвижного штока (2) датчика ((каркаса (30)) дополнительный измерительный узел, расположенный на конце каркаса (30) выдвижного штока (2), перемещается за ним и при этом измерительная обмотка (21) всегда располагается над ферромагнитным сердечником (20).
Работа датчика в режиме вибраций осуществляется в следующей последовательности. После того, как закончится тепловое расширение объекта регистрации, режим измерения линейных перемещений заканчивается. Выдвижной шток датчика занимает более или менее постоянное положение, но при этом присутствует вибрация объекта. Дополнительный измерительный узел датчика, расположенный на конце каркаса (30) выдвижного штока (2) для регистрации вибраций, готов к работе. В этом случае наступило время для перехода на режим измерения вибраций. Для этого на измерительную обмотку измерительного узла (21) W3-W4 подают сигнал запитки в виде переменного напряжения sin вида f=5.0 кГц с действующей амплитудой 5.0 В. Выдвижной шток (2) датчика, прижатый к контролируемому объекту, передает вибрации дополнительному измерительному узлу. Ферромагнитный сердечник (20) на тяге (27) вибрирует в электромагнитном поле измерительной обмотки (21), возбуждая в ее плечах W3-W4 переменные токи. Для того чтобы измерительная обмотка (21) дополнительного измерительного узла оставалась неподвижной, используются совокупные свойства его элементов: малое трение между фторопластовой катушкой (28) и каркасом (30) выдвижного штока (2), вес утяжелителя (22) и ограничивающее действие вибрации на фторопластовую катушку (28) с измерительной обмоткой (21) и наличие пружин малой жесткости (18, 23). Проще говоря, при большом ускорении вибраций выдвижного штока, а вместе с ним и ферромагнитного сердечника (20), утяжеленный измерительный узел с измерительной обмоткой (21) за счет минимального трения между фторопластовой втулкой (28) и корпусом каркаса (30) выдвижного штока (2) будет оставаться неподвижным и вырабатывать электрический сигнал вибрации контролируемого объекта.
Изготовленные на предприятии датчики линейных перемещений и вибраций могут поставляться с модулями регистрации и отображения полученной информации, которые могут объединяться в многоканальные группы и по интерфейсу RS-485 либо RS-232 подключаться к какому-либо управляющему компьютеру с набором рабочих прикладных программ. Как правило, такие датчики прокалиброваны и дополнительной калибровки не требуют. Работа предлагаемого датчика по времени разделяется на время регистрации тепловых (линейных) перемещений и регистрацию вибраций. Причем одним измерительным каналом можно проводить регистрацию перемещений и вибраций за счет автоматической коммутации их сигнальных проводов измерительных обмоток. Запитка измерительных обмоток датчика может проводиться от одного генератора либо поочередно через коммутатор.
В результате применения предлагаемого датчика повышается точность измерения линейных перемещений за счет повышения величины выходного сигнала основной измерительной обмотки не менее чем в три раза, а применение дополнительной второй измерительной обмотки позволяет осуществлять контроль вибраций. Лабораторные испытания показали, что за счет высокой чувствительности измерительной обмотки дополнительного измерительного узла датчик позволяет надежно регистрировать вибрации в диапазоне 2-2500 мкм. И дополнительно, высокие уровни выходных сигналов измерительных обмоток датчика не требуют применения высокочувствительной регистрирующей аппаратуры.
Литература
1. Справочник конструктора-машиностроителя, том 3, В.И. Анурьев, Москва, ФГУП Издательство Машиностроение, 2001 г. Раздел «Пружины сжатия, примеры расчета».
2. Справочник по элементарной физике. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г., М.: Наука, 1988 г. Раздел «Механические колебания».