ДАТЧИК ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА
AIR GAP SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при конструировании систем виброконтроля габаритных валов роторных машин в электрогенераторах, при эксплуатации турбонасосов, в нефтегазовой промышленности и других областях.
Для контроля вибраций и перемещений габаритных валов роторных машин нашли применение бесконтактные вихретоковые датчики. Такие датчики содержат обмотку возбуждения и две измерительные обмотки, магнитный поток которых замыкается через отдельный буртик вала ротора, смещение которого приводит к появлению разностного сигнала во встречно включенных измерительных обмотках.
Известен "Вихретоковый измеритель" - Патент RU № 2281490, 2006 г., G01N 27/90 - аналог.
Устройство аналога содержит вихретоковый датчик, выполненный в виде таблетки спиральных намоток, взаимодействующий с буртиком роторной машины, возбуждаемый от высокочастотного генератора, подключенный к тракту обработки, в тракте обработки реализован фазовый метод на основе последовательно подключенных к высокочастотному генератору фазовращателя, фазового детектора, фильтра нижних частот и регистратора, при этом отношение толщины (а) таблетки датчика к ее среднему диаметру dcp выбирают из условия a/dcp ≈ 0,15..0,2; а частоту (f) возбуждения датчика выбирают в зависимости от электрической проводимости (g) материала буртика так, чтобы f·g=const.
Измеритель обеспечивает линейность выходной характеристики на интервале зазора между буртиком и датчиком до h≈4 мм.
К недостаткам аналога можно отнести:
- необходимость установки на вал ротора дополнительного буртика из немагнитного материала для обеспечения работы измерителя;
- ограниченность линейного участка выходной характеристики h≤4 мм;
- конструктивная невозможность реализации буртика между статором и ротором электрогенератора.
Для измерения воздушного зазора между статором и ротором электрогенераторов нашли применение емкостные датчики в виде металлических плоских пластин, которые через диэлектрическую прокладку крепятся к статору.
Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является "Устройство измерения воздушного зазора" (Патент RU № 2318182, 2008 г., G01B 7/14).
Устройство измерения воздушного зазора между двумя металлическими объектами, содержащее передающий и приемный металлические электроды, которые расположены в одной плоскости и закреплены через диэлектрическую прокладку на первом металлическом объекте, генератор высокочастотных колебаний, выход которого соединен с передающим электродом, приемный электрод соединен с входом детектора профиля локальной области второго металлического объекта, выход детектора профиля локальной области второго металлического объекта соединен с входом детектора минимального расстояния, а выходы всех детекторов соединены с входом формирователя сигнала зазора, отличается тем, что с целью повышения достоверности измерения взаимного расположения первого и второго объектов, вокруг передающего и приемного электродов в их плоскости сформирован дополнительный электрод в виде незамкнутого контура, концы которого соединены с входами дифференциального усилителя, выход которого соединен с входом амплитудного детектора, выход которого соединен с дополнительным входом формирователя сигнала зазора.
Недостатками ближайшего аналога являются:
- изменение эквивалентной площади пластин конденсатора за счет краевых эффектов при вращении ротора, вносящих дополнительную ошибку в результат измерений;
- несинхронность частоты высокочастотного генератора с частотой параметрической накачки емкостного датчика, уменьшающей индекс модуляции и, как следствие, размах амплитуды полезного сигнала.
Задача, решаемая заявленным техническим решением, состоит в замыкании краевых эффектов конденсаторных пластин путем металлического их экранирования на торцах и синхронизации частоты высокочастотного генератора с частотой параметрической накачки емкостного датчика.
c
Технический результат достигается тем, что датчик воздушного зазора выполнен в виде двух конденсаторных пластин, рабочие поверхности которых расположены рядом в плоскости статора, совпадающей с нулем воздушного зазора между статором и ротором, изолированные от статора диэлектрической прокладкой, по торцам пластин выполнены металлические экраны замыкания краевых эффектов, пластины выполнены с перпендикулярными прорезями для уменьшения вихревых токов и стабильности емкости конденсатора, образуемого пластинами, конденсатор является реактивной нагрузкой высокочастотного генератора, сигнал которого параметрически модулируется изменяемой емкостью воздушного зазора при прохождении полюса ротора над пластинами, промодулированный сигнал генератора детектируют пиковым детектором измерения минимального зазора и амплитудным детектором среднего профиля зазора, для увеличения чувствительности и интервала линейности выходной характеристики используют режим регенерации при соотношении частот генератора (f) и модулятора 4:1.
Изобретение поясняется чертежами, где
Фиг. 1 - конструктивная схема размещения датчика между статором и ротором (фиг. 1а), вид в сечении (фиг 1б);
фиг.2 - конструктивная схема выполнения конденсаторных платин и экранов замыкания краевых эффектов (фиг. 2а, б, в);
фиг.3 - функциональная схема измерительного тракта датчика;
фиг.4 - выходная характеристика датчика.
Датчик воздушного зазора содержит реактивный элемент - конденсатор 1 в виде двух рядом расположенных плоских пластин 2, 3 с прорезями 4, размещенных на статоре 5, параметрически модулированных набегающими полюсами 6 ротора 7, изолированных от статора диэлектрическими прокладками 8, на торцах пластин выполнены металлические экраны 9 замыкания краевых эффектов, реактивный элемент 1 является нагрузкой высокочастотного генератора 10, параметрически модулированный сигнал которого детектируется детектором минимального зазора 11 и детектором среднего профиля 12 зазора между статором и ротором.
<mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>c</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
Динамика взаимодействия элементов состоит в следующем. Датчик представляет собой параметрический усилитель с реактивным элементом - емкостью (С), накачка которой происходит при механическом вращении ротора, набегающий выступ полюса которого изменяет величину емкости, с коэффициентом модуляции
, зависящим от величины зазора между статором и ротором. Реактивный элемент - емкость является нагрузкой высокочастотного генератора, сигнал которого таким образом оказывается модулирован. Коэффициент модуляции и энергетические соотношения в цепи генератора, кроме конструктивных параметров пластин конденсатора (реактивного элемента), зависят от режима накачки. Наибольшую чувствительность (размах амплитуды сигнала) имеет регенеративный режим [см., например, Справочник по радиоэлектронике. Под редакцией А.А. Куликовского. М.: Энергия, 1968 г., стр. 102-103].
В заявленном устройстве регенеративный режим реализован при соотношении частоты сигнала fc к частоте накачки 4:1, при абсолютных значениях fc≈10 кГц и накачки fн≈2,5 кГц.
Известно, что емкость плоского конденсатора [см., также Справочник по радиоэлектронике. Под редакцией А.А. Куликовского. М.: Энергия", 1968 г., стр. 466, Емкостные датчики] определяется соотношением:
где S - площадь пластин конденсатора, d - расстояние между пластинами. Из теории погрешностей полный дифференциал соотношения равен [см. Н.С. Пискунов, Дифференциальные и интегральные исчисления для ВТУзов, учебник, 5-е изд. М.: Наука, 1964 г., стр. 250-252, §9 Приложение дифференциала к оценке погрешности при вычислениях]:
Механическое вращение ротора эквивалентно изменению расстояния между пластинами (Δd) при прохождении полюса ротора над пластинами, которое напрямую зависит от величины зазора между статором и ротором и изменением коэффициента модуляции (m). Краевые эффекты эквивалентны изменению площади пластин (ΔS), вызывающих "зашумление" полезного сигнала (Δd/d). Для исключения изменения ΔS в конструкции датчика использованы экранирующие металлизированные экраны на торцах пластин. Для исключения влияния вихревых токов в конструкции пластин выполнены прорези, как это иллюстрировано фиг. 2.
Элементы датчика выполнены на существующей технической базе по известным электронным схемам. Генератор ВЧ-сигнала типа AD9833, детектор импульсов (минимального зазора), амплитудный детектор (профиля средней величины зазора) [см., Справочник по радиоэлектронике. Под редакцией А.А. Куликовского. М.: Энергия, 1968 г., стр. 133-137]. Эффективность заявленного устройства определяется как конструктивными разработками пластин, так и синхронизацией режима накачки с частотой генератора.
Перечисленные отличия обеспечивают увеличение чувствительности датчика и расширение линейного интервала измерений величины зазора.