ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для контроля линейных перемещений (в том числе виброперемещений) в энергетике, химической промышленности и на других объектах с вредными условиями труда.
Широко известны преобразователи линейных перемещений, содержащие корпус с измерительной обмоткой, установленный на неподвижном объекте (например, строительных конструкциях), расположенный внутри корпуса подвижный чувствительный элемент с выведенным за пределы корпуса плунжером, присоединенным своим наконечником к подвижному объекту контроля (например, поршню гидроцилиндра) [1, 2, 3, 4, 5]. Эти устройства реализуют индуктивный, вихретоковый и другие принципы преобразования линейного перемещения в электрический сигнал. Особенностью их является то, что перемещение подвижного объекта осуществляется вдоль оси корпуса, при этом частотный диапазон контроля виброперемещений ограничивается сверху только свойствами используемых в составе канала контроля электронных устройств.
Если перемещение (виброперемещение) имеет направление, не совпадающее с осью корпуса преобразователя, то между корпусом и плунжером возникают силы трения, которые вынуждают применять подшипники скольжения, что снижает долговечность всего преобразователя и ограничивает сверху частотный диапазон контроля виброперемещений.
Одно из таких технических решений [6], кроме перечисленных выше существенных признаков содержит, подпружиненный плунжер, который своим наконечником прижимается к подвижному объекту контроля.
Недостатком этого технического решения, выбранного в качестве прототипа, является влияние поперечной составляющей виброперемещения, наличие которой обязательно в большинстве случаев использования преобразователя линейных перемещений, на спектральные характеристики сигнала продольного виброперемещения в связи с демпфирующим влиянием сил трения, особенно при малой величине виброперемещения (несколько мкм).
Задача предполагаемого технического решения - минимизация сил трения между корпусом и плунжером с целью надежного контроля виброперемещений преобразователем линейных перемещений.
Указанный технический результат достигается тем, что преобразователь линейных перемещений содержит цилиндрический корпус, втулку, неподвижно прикрепленную к внешней стороне корпуса и присоединенную шарниром к неподвижному объекту, измерительную обмотку, расположенную внутри корпуса, чувствительный элемент, выполненный с возможностью соосного перемещения относительно измерительной обмотки, и электронный модуль, присоединенный к измерительной обмотке, причем часть чувствительного элемента выведена за пределы корпуса и выполнена в виде подпружиненного плунжера с наконечником, который присоединен шарниром с двумя угловыми степенями свободы к подвижному объекту контроля, при этом пружина плунжера выполнена цилиндрической, охватывает корпус с зазором, прикреплена одним торцом к наконечнику, а другим торцом - к втулке, и растянута при любом положении наконечника. Шарнир, соединяющий наконечник с подвижным объектом контроля, может быть выполнен в виде отрезка троса или в виде двух полузвеньев цепи. Шарнир, соединяющий втулку с неподвижным объектом, может быть выполнен в виде шарнира Гука с двумя угловыми степенями свободы или в виде радиального сферического двухрядного шарикоподшипника с тремя угловыми степенями свободы. Чувствительный элемент может быть выполнен в виде алюминиевой трубки, установленной поверх измерительной обмотки, или в виде ферромагнитного стержня, установленного внутри измерительной обмотки.
На фиг. 1 изображен преобразователь линейных перемещений, в котором использован вихретоковый принцип преобразования. Втулка корпуса присоединена к неподвижному объекту шарниром Гука, а наконечник присоединен к подвижному объекту контроля двумя полузвеньями цепи.
На фиг. 2 представлены два преобразователя линейных перемещений индуктивного типа, у которых втулка корпуса присоединена к неподвижному объекту шарниром типа «шар-корпус», контакт в котором обеспечивается растянутой пружиной плунжера, а шарнир, присоединяющий наконечник к подвижному объекту контроля, выполнен в виде отрезка стального троса.
На фиг. 3 представлены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) преобразователей линейного перемещения в режиме контроля виброперемещения, полученные при испытаниях прототипа (а) и предполагаемого технического решения (б), изображенного на фиг. 2, при одинаковых частотах и амплитудах вибрации и направлением виброперемещений под 45° к оси корпуса.
Преобразователь линейных перемещений (фиг .1) содержит корпус 1, в котором размещена измерительная обмотка 2, поверх которой концентрично перемещается чувствительный элемент - алюминиевая трубка 3, которая является также плунжером при выходе из корпуса 1 и заканчивается наконечником 4, к которому прикреплена цилиндрическая пружина 5 одним из своих торцов. Другим торцом пружина 5 прикреплена к втулке 6, которая неподвижно установлена снаружи на корпусе 1. Пружина 5 охватывает корпус 1 с зазором и растянута с тем, чтобы при любом положении наконечника 4 относительно торца корпуса 1 создавать усилие, втягивающее плунжер 3 в корпус 1. На втулке 6 установлен шарнир Гука 7, имеющий 2 угловые степени свободы, внешний обод которого присоединен к неподвижному объекту 8. К внешнему торцу наконечника 4 прикреплено одно полузвено цепи 9, а к подвижному объекту контроля 10 - другое полузвено цепи 9, находящееся в зацеплении с первым. При этом пара полузвеньев цепи также имеет две угловые степени свободы друг относительно друга. Измерительная обмотка 2 запитана переменным напряжением от внешнего электронного модуля 11, который формирует выходной сигнал в зависимости от положения плунжера 3 относительно корпуса 1 с измерительной обмоткой 2, что эквивалентно положению подвижного объекта 10 относительно неподвижного объекта 8. Альтернативой шарнира Гука 7 может быть сферический двухрядный подшипник, имеющий 3 угловые степени свободы.
У преобразователя линейных перемещений (фиг. 2) в корпусе 1 также размещена измерительная обмотка 2, но чувствительный элемент - ферромагнитный стержень 12 перемещается посредствам плунжера 3 внутри этой обмотки. К внешнему торцу наконечника 4 присоединен отрезок троса 13, который другим концом закреплен на подвижном объекте контроля 10. Втулка 6, неподвижно установленная на корпусе 1, имеет сферическую наружную поверхность, которая прижимается к коническому отверстию неподвижного объекта 8 посредствам пружины 5 и образует с ним шарнир с двумя степенями свободы 7. Контакт производится по полосе конического отверстия при любом угловом отклонении оси корпуса 1 от оси конического отверстия (в пределах заданных конструктивных ограничений). Отрезок троса 13 будучи малой длины (~10÷20 диаметров) при изгибе создает достаточно малый изгибный момент, действующий на наконечник 4, что позволяет считать его шарниром с двумя степенями свободы. В то же время продольная жесткость натянутого отрезка троса 13 достаточно велика, чтобы передавать виброперемещения от подвижного объекта контроля на чувствительный элемент 12 без потерь. Измерительная обмотка 2 запитана переменным напряжением от электронного модуля 11, который работает по принципу усилителя на несущей частоте (УНЧ) и может одновременно выдавать цифровой сигнал, пропорциональный положению чувствительного элемента 12, относительно измерительной обмотки 2, и аналоговый сигнал, пропорциональный виброперемещению относительно среднего положения чувствительного элемента 12. Если линейное перемещение и сопутствующее ему виброперемещение происходят по различным направлениям одновременно (наиболее часто наблюдаемый процесс), то длина отрезка троса может быть увеличена, а несколько преобразователей расположены ортогонально для контроля параметров перемещения по разным координатам, как показано на фиг. 2.
Сила натяжения цилиндрической пружины 5 обычно не превышает нескольких десятков Н, что пренебрежимо мало для того, чтобы влиять на положение подвижного объекта контроля 10, масса которого несколько тысяч кг. Но этого усилия вполне достаточно, чтобы поддерживать прямолинейность и соосность корпуса 1, плунжера 3, пружины 5 и отрезка троса 13. При этом втулка 6 установлена так, чтобы центр тяжести всего устройства был расположен около места ее контакта с коническим отверстием неподвижного объекта 8. Этим минимизируется усилие контакта внутренней поверхности пружины 5 и торца корпуса 1, что позволяет корректно контролировать виброперемещение подвижного объекта контроля 10. Если величина виброперемещения мала, точка контакта пружины 5 и торца корпуса 1 может оставаться неподвижной, часть пружины от места крепления к втулке 6 до точки контакта при виброперемещении не деформируется, а периодической деформации подвергается лишь часть пружины между наконечником и точкой контакта.
Таким образом в предлагаемом техническом решении (фиг. 1, 2) минимизированы силы трения, вызванные перемещением частей устройства друг относительно друга. Если подвижный объект контроля 10 переместится относительно неподвижного объекта 8 таким образом, что ось отрезка троса 13 повернется относительно начального положения оси корпуса 1, то усилие натяжения пружины 5 повернет ось корпуса 1 вокруг шарнира «шар-конус», (шарнира Гука или радиального сферического двухрядного шарикоподшипника). При этом вектор виброперемещения плунжера 3 будет разложен вдоль оси корпуса 1 каждого из двух преобразователей линейного перемещения, причем на каждом из них поперечная составляющая не будет отражена.
Для устройства, представленного фиг. 2, оптимальная длина отрезка троса 13 (L, м) определяется из условий:
• непревышения погрешности измерения линейного перемещения, установленной для преобразователя, из-за отклонения оси отрезка троса 13 от расчетного направления:
,
где  - допускаемое значение погрешности, %;
L=l+k - среднее расстояние от места крепления отрезка троса 13 к подвижному объекту контроля до шарнира на втулке 6, м;
D - диапазон изменения линейного перемещения, м;
αm - угол между расчетным направлением и осью корпуса 1, град;
αm=arcsin (D/2L);
l - длина отрезка троса, м;
• тройного превышения частоты основного резонанса системы «чувствительный элемент - отрезок троса 13» в предельном направлении над верхним значением частоты контроля виброперемещения:
.
Частота основного резонанса (fp, Гц) может быть оценена по формуле:
где c - продольная жесткость отрезка троса, Н/м,
м - суммарная масса чувствительного элемента 12, плунжера 3 с наконечником и отрезка троса 13, кг.
Продольная жесткость отрезка троса (c) равна:
2
где E - модуль упругости материала троса, Н/м,
P - сила растяжения, приложенная к тросу, Н,
2
F - поперечное сечение троса, м,
Δl - удлинение троса под действием силы P, м.
Таким образом, для уменьшения погрешности измерения линейного перемещения необходимо увеличивать длину отрезка троса, а для расширения частотного диапазона контроля виброперемещений - уменьшать.
Преобразователь линейных перемещений работает следующим образом.
Устройство устанавливается на неподвижном объекте 8, как показано на фиг. 1, 2, и присоединяется к подвижному объекту контроля 10 так, чтобы наконечник 4 плунжера 3 располагался относительно торца корпуса 1 на расстоянии, определенном для начального положения подвижного объекта контроля 10. Заранее должны быть определены крайние положения, которые не должны выходить за пределы диапазона линейных перемещений данного преобразователя. Включается измерительный модуль.
Если в устройстве реализован вихретоковый принцип преобразования, то перемещение чувствительного элемента 3 приводит к изменению импеданса измерительной катушки 2, которое измерительный модуль 11 преобразует в выходной сигнал пропорциональный перемещению. Вибрационная составляющая перемещения определяется как флуктуация выходного сигнала (фиг. 1).
Если в устройстве реализован индуктивный принцип преобразования, то перемещение чувствительного элемента 12 приводит к изменению индуктивности частей измерительной обмотки 2, а УНЧ преобразует этот параметр в цифровой выходной сигнал линейного перемещения и параллельно - в аналоговый выходной сигнал виброперемещения.
Сравнительные испытания преобразователей линейных перемещений в составе каналов измерения, содержащих УНЧ (см. фиг. 3), показывают, что в частотном диапазоне 2÷50 Гц и при амплитуде перемещения ±10 мкм при направлении вибрации под углом 45° к оси корпуса преобразователя АЧХ преобразователя (б) более равномерна и стабильна, чем АЧХ преобразователя (а). При этом «выпуклость» формы АЧХ обусловлена применением полосового фильтра в выходном аналоговом канале УНЧ, ограничивающего частотный диапазон.
Источники информации
1. RU 2375674 (Закрытое акционерное общество "ДИАПРОМ"), 10.12.2009.
2. RU 2262072 (Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева), 10.10.2005.
3. SU 754198 (ОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ), 07.08.1980.
4. JPS 5770414 (TOKYO SHIBAURA ELECTRIC CO), 30.04.1982.
5. US 4538203 (SYSTRON DONNER CORP), 27.08.1985.
6. RU 2037769 (Всероссийский научно-исследовательский институт по эксплуатации атомных электростанций), 24.04.1991.