ДАТЧИК СКОРОСТИ
SPEED SENSOR

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано как датчик скорости для расходомеров жидких и газообразных сред, а также для автоматического контроля вращения, углового перемещения механизмов и машин.
Датчик скорости выполняет также функции датчика индикации и направления вращения и может быть использован для измерения направления движения жидкостей и газов, а также вращений механизмов в замкнутых герметичных объемах аппаратов химической промышленности, ядерных реакторах с высокими температурами и давлениями контролируемой среды.
Например, для работающего ядерного реактора является важным:
- определение направления движения (течения) теплоносителя (воды) в герметичных трубопроводах;
- определение направления движения (вращения) механизмов СУЗ, механизмов перегрузки ядерного топлива.
Любое изменение движения, не предусмотренное режимом работы машин и механизмов, может привести к аварии.
Датчик скорости с индикацией направления вращения может быть применен в различных механизмах и устройствах и в открытой воздушной среде.
Известен преобразователь расхода турбинный (ТПР), выпускаемый Арзамасским приборостроительным заводом (см. техническое описание и инструкцию по эксплуатации 4Е2.833.031ТУ. Преобразователь зарегистрирован в Госреестре средств измерения под №8326-90. Сертификат №13421).
Преобразователь расхода турбинный ТПР предназначен для выдачи информации об объемном расходе измеряемой жидкости в виде частотного электрического сигнала синусоидальной формы при наземных (стендовых) испытаниях изделий.
Частота измерения выходного сигнала при вращении чувствительного элемента (турбинки), помещенного в поток измеряемой жидкости:
на верхнем пределе измерения - 500±50 Гц;
на нижнем пределе измерения - 10 Гц.
Преобразователь расхода ТПР, являющийся по существу датчиком скорости, состоит из немагнитного корпуса, турбинки с ферромагнитными лопастями, магнитоиндукционного генератора МИГ, имеющего немагнитный кожух, в котором установлена магнитоиндукционная катушка с ферромагнитным сердечником и с постоянным магнитом, закрепленным на сердечнике.
Магнитоиндукционный генератор установлен жестко в паз корпуса преобразователя расхода ТПР.
Недостатком преобразователя расхода ТПР является получение слабого по величине электрического сигнала, возникающего в индукционной катушке при вращении турбинки.
Причиной такого слабого сигнала является слабый рабочий магнитный поток, возникающий между ферромагнитным сердечником индукционной катушки и подвижной ферромагнитной лопастью при вращении турбинки.
Известно, что такой рабочий магнитный поток между ферромагнитным сердечником и ферромагнитной лопастью преобразователя расхода ТПР составляет порядка 5÷7% от полного магнитного потока в пространстве вокруг индукционной катушки. Остальной поток, создаваемый индукционной катушкой, является потоком рассеяния и составляет >90% полного магнитного потока (см. Бессонов, «Теоретические основы электротехники», А.Г.Гордон, А.Г.Сливинская, «Электромагниты постоянного тока», ГЭИ, Москва, 1960, с.80).
Для увеличения рабочего магнитного потока и полезного электрического сигнала в конструкции ТПР увеличены размеры и масса индукционной катушки и ферромагнитного сердечника генератора МИГ, которые соизмеримы с размерами корпуса и чувствительного элемента - турбинки.
Это является недостатком, так как при такой конструкции невозможно разместить по окружности корпуса ТПР больше двух или трех генераторов МИГ, что ограничивает величину полезного электрического сигнала скорости двумя или тремя электрическими импульсами за один оборот вала турбинки. Следовательно, при измерениях скоростей по электрическим схемам с применением преобразователя частоты типа ПЧ-6 или ПЧ-1 и частотомера типа ЧЗ-32 или ЧЗ-63 невозможно измерение малых скоростей вращения турбинки - менее 200÷300 оборотов в минуту и применять преобразователь ТПР для измерения скоростей вращения ниже 200÷300 оборотов в минуту. Что также является недостатком преобразователя ТПР.
Известно устройство для измерения скорости вращения по авторскому свидетельству SU №457031, кл. G01P 3/48.
Устройство по а.с. №457031 содержит на валу машины три разновидных магнитных вставки, которые при вращении вала проходят по окружности статора с зазором мимо датчика генераторного типа, состоящего из ферромагнитного сердечника с двумя индукционными катушками и жестко установленного на статоре машины.
1
2
3
Три разновысотные магнитные вставки создают при прохождении ферромагнитного сердечника различные по величине зазоры и генерируют при этом электрические сигналы в индукционных катушках с тремя различными амплитудами A, A, А.
Различные по величине зазоры, образуемые прохождением магнитных вставок ферромагнитного сердечника, позволяют определять направление вращения вала по часовой стрелке, например, по сигналам осциллографа, подключенного к индукционным катушкам.
2
3
Недостатком устройства по а.с. №457031 является низкая величина электрических сигналов, которая уменьшается по амплитуде А и А с увеличением зазоров у второго и третьего магнитов и определяется преобладающим окружающим индукционные катушки магнитным полем рассеяния, создаваемым наводящим электрическим сигналом.
Наиболее близким к заявляемому устройству является датчик скорости по авторскому свидетельству SU 1525581 А1 от 30.11.89, МПК кл. G01P 3/48, G01F 1/075, который выбран за прототип.
Датчик скорости, содержащий немагнитный корпус, в котором установлен чувствительный элемент, состоящий из ферромагнитных лопастей, закрепленных на оси, индуктивные первичные и вторичные (измерительные) катушки, расположенные на корпусе, во взаимно параллельных плоскостях и параллельных плоскости вращения ферромагнитных лопастей чувствительного элемента, первичные катушки расположены симметрично по обеим сторонам от ферромагнитных лопастей и концентрично оси ферромагнитных лопастей.
Известный датчик скорости измеряет скорость потока жидкости (воды). Создаваемое первичными катушками электромагнитное поле рассеяния охватывает вторичные катушки и ферромагнитные лопасти. Возникает трансформаторный эффект передачи части электрической энергии через ферромагнитные лопасти во вторичные катушки. При вращении ферромагнитных лопастей происходит приближение и удаление ферромагнитных лопастей от электромагнитного поля вторичных катушек, изменение индуктивного сопротивления вторичных катушек. При этом возникают импульсы (напряжения) тока во вторичных катушках, пропорциональные числу оборотов лопастей, частоте вращения ферромагнитных лопастей.
Из-за удаления первичных и вторичных катушек от вращающихся ферромагнитных лопастей датчик имеет слабый сигнал (импульс). Для получения устойчивого сигнала от вращающихся лопастей необходимо увеличивать электрическую мощность, напряжение первичных катушек. Такой путь не эффективен, так как создает технические трудности в преобразовании и измерении сигналов счета вращающихся лопастей, вызывает большие потери энергии, потери на вихревые токи в стальном корпусе, приводит к дополнительным затратам материала, увеличению размеров и стоимости датчика. Применение первичных и вторичных катушек увеличивает их число, усложняет изготовление и размещение на корпусе, что является недостатком.
Датчик скорости для расходомеров, работающих в сложных непрерывных производствах, например на атомных электростанциях (АЭС) для измерения расхода воды в трубопроводах первого и второго контуров, имеют прочные толстостенные корпуса с толщинами стенок Н≥10-20 мм, надежно выдерживающие давление до Р≥20-40 МПа, температуры Т≥+300°С. Установка индуктивных измерительных катушек на корпус датчика (прототипа) с толщинами стенок Н≥10-20 мм приводит к недопустимому для работы датчика удалению измерительных катушек от чувствительного элемента - ферромагнитных лопастей (толщины которых составляют 0,5-1 мм), созданию слабого импульса в катушках от вращающихся ферромагнитных лопастей.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание датчика скорости с повышенной чувствительностью за счет приближения катушек индуктивности к чувствительным элементам, уменьшение магнитного поля рассеивания и потерь на вихревые токи.
Решение поставленной задачи позволяет повысить точность и надежность измерений, а также расширить диапазон измерений в областях низких и высоких скоростей.
Техническая задача решается тем, что датчик скорости, содержащий немагнитный корпус, чувствительный элемент, размещенный в корпусе и состоящий из вращающихся ферромагнитных лопастей, установленных на оси, индуктивные измерительные катушки, расположенные на корпусе в плоскости вращения ферромагнитных лопастей, снабжен кольцевыми пазами, выполненными на корпусе и имеющими в поперечном сечении форму равностороннего многоугольника, причем вершины многоугольника одного паза смещены относительно вершин многоугольника другого паза вокруг оси чувствительного элемента, а индуктивные измерительные катушки размещены соответственно в указанных кольцевых пазах.
Кроме того, датчик скорости может быть снабжен дополнительным чувствительным элементом, установленным концентрично первому, имеющему упор, взаимодействующий с продольным пазом втулки, на которой закреплены ферромагнитные лопасти второго чувствительного элемента, причем плоскость вращения ферромагнитных лопастей каждого чувствительного элемента совпадает с плоскостью поперечного сечения соответствующего кольцевого паза.
Предлагаемое техническое решение позволяет изменить геометрию индуктивных измерительных катушек, то есть выполнить их в форме равносторонних многоугольников, что создает эффект приближения ферромагнитных лопастей к сторонам многоугольных измерительных катушек и удаления от сторон измерительных катушек на участках вершин.
Ферромагнитные лопасти на участках, приближенных к сторонам многоугольных измерительных катушек, имеют минимальный зазор - δ1 и на участках, удаленных от сторон многоугольных измерительных катушек - максимальный зазор - δ2 (δ2>δ1). При минимальных зазорах δ1 величина индуктивности измерительных катушек L увеличивается на величину + ΔL и равна L+ΔL. При максимальных зазорах δ2 величина индуктивности измерительных катушек L уменьшается на величину - ΔL и равна L-ΔL. (Г.П. Нуберт, «Измерительные преобразователи неэлектрических величин», Энергия, M., 1970, с.193).
В датчике скорости при вращении ферромагнитных лопастей чувствительных элементов эффект изменения индуктивности измерительных катушек в соотношении (L+ΔL)/(L-ΔL) преобразуется в электрические импульсы тока, частота которых изменяется при изменении скорости вращения ферромагнитных лопастей и является измерительной характеристикой датчика скорости.
Кроме того, эффект взаимодействия индуктивных измерительных катушек с вращающимися ферромагнитными лопастями, повышается за счет использования сосредоточенного электромагнитного поля, возникающего внутри измерительной катушки, которое в несколько раз больше внешнего электромагнитного поля рассеяния измерительной катушки («Теоретические основы электротехники», изд. Высшая школа. М. 1964 г. С.72).
Следовательно, точность и чувствительность измерений, особенно на малых скоростях вращения лопастей, повышается, а введение дополнительного чувствительного элемента дает возможность контролировать направление вращения ферромагнитных лопастей, следовательно, и направление движения контролируемого потока. Вращение лопастей происходит по часовой стрелке при движении потока в рабочем направлении и против часовой стрелке при движении потока в обратном направлении.
Сущность технического решения поясняется чертежами:
на фиг.1 показан общий вид датчика скорости с одним чувствительным элементом;
на фиг.2 показан разрез А-А фиг.1;
на фиг.3 показан разрез Б-Б фиг.1;
на фиг.4 показан общий вид датчика скорости с двумя чувствительными элементами;
на фиг.5 показан разрез А-А фиг.4 при вращении чувствительных элементов против часовой стрелки;
на фиг.6 показан разрез А-А фиг.4 при вращении чувствительных элементов по часовой стрелке;
на фиг.7 показан график сигналов импульсов тока в двух катушках за один оборот лопастей одного чувствительного элемента;
на фиг.8 показан график сигналов импульсов тока в двух катушках при вращении двух чувствительных элементов за один оборот лопасти против часовой стрелки;
на фиг.9 показан график сигналов импульсов тока в двух катушках при вращении двух чувствительных элементов за один оборот лопасти по часовой стрелке.
Датчик скорости состоит из корпуса 1, изготовленного из немагнитного материала, на наружной поверхности которого выполнены кольцевые пазы 2 и 3. В кольцевые пазы 2 и 3 установлены соответственно индуктивные измерительные катушки 4 и 5. В полости корпуса 1 на ферромагнитной оси 6 жестко закреплены расположенные под углом 120° друг к другу три лопасти 7 чувствительного элемента 8.
В полости корпуса 1 может быть размещен дополнительный чувствительный элемент 11, состоящий из установленной на оси 6 втулки 9 с жестко закрепленными на ней тремя лопастями 10, расположенными под углом 120° друг к другу. Втулка 9 снабжена продольным пазом 12, взаимодействующим с упором 13, размещенным на оси 6. Втулка 9 имеет возможность поворота вокруг оси 6 при изменении направления вращения чувствительных элементов 8 и 11 по или против часовой стрелки на некоторый угол. Угол поворота по часовой стрелке должен быть меньше угла поворота против часовой стрелки как минимум на 20-30°.
Лопасти на чувствительных элементах 8 и 11 развернуты относительно оси 6 на угол, например, 10°.
Пазы 2 и 3 с катушками 4 и 5 расположены в параллельных плоскостях, совпадающих с плоскостями вращения ферромагнитных лопастей и перпендикулярных оси 6. Пазы 2 и 3 имеют в сечении форму равностороннего многоугольника, например треугольника или любой другой геометрической фигуры с числом сторон: четыре, пять, шесть, восемь и т.д.
Числу сторон геометрической фигуры, лежащей в основании паза 2 и 3, соответствует число лопастей чувствительных элементов 8 и 11.
Вершины многоугольника (треугольника) паза 2 смещены относительно вершин многоугольника (треугольника) паза 3 вокруг оси 6, например, для треугольника на угол равный 60°. Катушки 4 и 5 соответственно имеют форму, аналогичную форме многоугольника (треугольника).
Вершины многоугольных (треугольных) индуктивных катушек 2 и 3 закруглены, в соответствии с требованиями технологии изготовления высокотемпературных датчиков.
Лопасти чувствительных элементов 8 и 11 имеют минимальный зазор δ1 со сторонами катушек 4 и 5 и максимальный зазор δ2 с вершинами катушек.
Индуктивные катушки 4 и 5 могут быть соединены между собой последовательно в электрическую полумостовую схему и подключены к вторичной измерительной схеме (на чертеже не показано).
Ось 6 установлена на двух подшипниках (на чертеже не показаны) аксиально оси корпуса 1.
Датчик скорости работает следующим образом.
При включении генератора переменного тока (например, с частотой f=1000 Герц) вторичной измерительной схемы в индуктивных катушках 4 и 5 проходит переменный электрический ток. Под воздействием на лопасти 7 и 10 чувствительных элементов 8 и 11 потока газа или жидкости (воды) они приходят во вращательное движение.
р
При вращении лопастей 7 оси 6 элемента 8 через них проходит магнитный поток ⌀, который создает электрический импульс i4 в индуктивной катушке 4.
р
При вращении лопастей 10 втулки 9 элемента 11 через них проходит магнитный поток ⌀, который создает электрический импульс i5 в индуктивной катушке 5.
График развертки импульсов тока катушек 4 и 5 за один оборот лопастей чувствительного элемента 8 дан на фиг.7. Импульсы тока в катушках 4 и 5 возникают за счет изменения индуктивности катушки в отношении (L+ΔL)/(L-ΔL) при прохождении лопастей вблизи сторон катушек 4 и 5 при минимальных зазорах δ1. При этом изменение индуктивного сопротивления катушек ωL4 и ωL5 приводит к разбалансу электрической мостовой измерительной схемы, возникновению импульсов тока, которые преобразуются, усиливаются и измеряются вторичной электронной аппаратурой. Частота импульсов тока катушек 4 и 5 пропорциональна частоте вращения лопастей. Чем больше частота импульсов, тем больше измеряемая величина скорости потока жидкости. Применение мостовой электрической схемы включения измерительных катушек 4 и 5 и смещение вершин треугольных измерительных катушек 4 и 5 на угол 60° относительно друг друга увеличивает в два раза число импульсов за один оборот вращения трех лопастей, что повышает чувствительность и точность измерений.
При вращении ферромагнитных лопастей в сосредоточенном электромагнитном поле внутри индуктивных катушек 4 и 5 создаются значительно большие по абсолютной величине изменения индуктивности катушек ΔL, большие изменения индуктивного сопротивления катушек ωL4 и ωL5, чем при вращении лопастей во внешнем электромагнитном поле окружающем катушки, как в прототипе.
Толщина стенки в середине длины стороны паза при воздействии на нее высокого давления рассчитывается по известным формулам.
(Л.А. Осипович, «Датчики физических величин», М. Машиностроение, 1979, с.17.; Н.М. Синев, «Герметичные водяные насосы атомных энергетических установок», М. Атомиздат, 1967, с.90; Е.П. Осадчий, «Проектирование датчиков для измерения механических величин», М. Машиностроение, 1979, с.90).
За один оборот вращения чувствительного элемента 8-πD при вращении лопастей по часовой стрелке импульсы тока i4 и i5, возникающие в катушках 4 и 5, имеют одинаковый интервал, равный t1.
За один оборот вращения чувствительных элементов 8 и 11-πD при вращении лопастей против часовой стрелки импульсы тока i4 и i5, возникающие в катушках 4 и 5, имеют интервал между импульсами одинаковый и равный t1. Равенство интервалов между импульсами указывает на вращение против часовой стрелки.
За один оборот вращения чувствительных элементов 8 и 11-πD при вращении лопастей по часовой стрелке импульсы тока i4 и i5, возникающие в катушках 4 и 5, имеют интервал между импульсами разные. Интервал между i5 и i4 равен t2, а между i4 и i5 равен t3, причем t2 меньше t3.
При вращении по часовой стрелке интервалы между импульсами чередуются: короткие, длинные. Неравенство интервалов между импульсами указывает на вращение по часовой стрелке.
Импульсы тока i4 и i5, создаваемые в катушках 4 и 5 при вращении лопастей 7 и 10 против часовой стрелки и по часовой стрелке приведены на фиг.8 и 9.
Введение в конструкцию датчика второго чувствительного элемента 11 позволяет повысить точность измерений и определить направление вращения лопастей и как следствие направления движения жидкости.
Предлагаемый датчик скорости позволяет повысить точность и чувствительность измерений, особенно на малых скоростях вращения лопастей, вести контроль за направлением вращения ферромагнитных лопастей, следовательно, за направлением движения контролируемого потока.