ДАТЧИК ВРАЩАЮЩЕЙСЯ МАШИНЫ
SENSOR OF ROTATING MACHINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данная заявка испрашивает приоритет заявки 0709397 на выдачу патента Великобритании.
Настоящее изобретение относится к датчику. В частности, но не исключительно, настоящее изобретение относится к датчику скорости для турбины, например, турбонагнетателя.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Турбонагнетатели являются хорошо известными устройствами для подачи воздуха в выпускной патрубок двигателя внутреннего сгорания с давлениями выше атмосферного давления. Традиционный турбонагнетаталь по существу содержит колесо турбины, приводимое в движение выхлопным газом, установленное на вращающемся валу внутри корпуса турбины. Вращение колеса турбины вращает колесо компрессора, установленное на другом конце вала, в корпусе компрессора. Колесо компрессора подает сжатый воздух к впускному патрубку двигателя, тем самым увеличивая мощность двигателя.
Снабжение турбомашины датчиком для измерения рабочих характеристик турбомашины хорошо известно. Любая подобная рабочая информация может быть использована в качестве одного параметра системы управления турбомашиной, например расстояние между элементами турбомашины.
Одним типом датчика, который использовался в качестве датчика турбомашины, является емкостный датчик, содержащий резонансный контур, включающий в себя конденсатор, между электродом датчика, смонтированным в отверстии, предусмотренном в стенке корпуса турбины, и электропроводным колесом турбины. При вращении колеса турбины емкость меняется в зависимости от расстояния между колесом турбины и электродом датчика при прохождении каждой лопасти мимо электрода. Зазор между электродом датчика и колесом турбины, таким образом, определяется посредством детектирования и усиления частотной модуляции в резонансном контуре из-за изменения емкости.
В известных емкостных датчиках зазор между электродом и другим компонентом турбомашины, посредством которого формируется конденсатор, должен поддерживаться минимальным, так как емкость резко изменяется с увеличением зазора как обратная функция величины разделяющего зазора. Тем не менее некоторое минимальное расстояние обычно требуется по причинам механической конструкции, установления допусков и допущения термического расширения. По существу, уровни сигналов часто являются очень низкими. В окружении двигателей обычно присутствует существенный уровень электрических помех по сравнению с лабораторией для тестирования, где обычно уровни шума намного меньшие. Этот низкий уровень сигнала и электрический шум в рабочей среде приводит к низкому отношению сигнал-шум и поэтому часто трудно усилить требуемый сигнал до требуемых уровней, отделяя при этом шум от сигнала. Емкостные датчики также являются проблематичными в том, что на их функционирование может в свою очередь повлиять присутствие загрязняющих веществ в газе, проходящем через турбокомпрессор, так же как присутствие загрязняющих отложений на самом электроде датчика.
Измерение других рабочих характеристик турбомашины может также быть полезным. Например, предоставляя информацию, касающуюся скорости турбокомпрессора, блоку управления двигателем (ECU) можно предотвратить или противодействовать любому превышению допустимой скорости турбокомпрессора.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является устранение или смягчение вышеописанных недостатков.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложен датчик скорости для использования при измерении скорости вращения вращающейся детали с выступающим элементом, содержащий электрод и схему датчика;
причем схема датчика, содержит:
источник постоянного напряжения для подачи напряжения на электрод для генерирования электрического поля в диэлектрической среде;
детектор тока для детектирования тока, протекающего между источником постоянного напряжения и электродом вследствие возмущения электрического поля при прохождении, по меньшей мере, одного вращающейся детали с выступающим элементом через электрическое поле при вращении вращающейся детали, при этом детектор тока выводит первый сигнал, модулированный на частоте, соответствующей частоте возмущения электрического поля; и
схему усилителя, содержащую усилитель сигнала для усиления первого сигнала и вывода второго сигнала, модулированного на частоте, соответствующей частоте возмущения электрического поля;
при этом напряжение электрода, коэффициент усиления усилителя и положение электрода относительно вращающейся детали выбраны так, что модуляция второго сигнала преимущественно вызывается возмущением электрического поля в диэлектрической среде посредством создания и/или движения ионов в поле.
Следует отметить, что источник постоянного напряжения требуется только для функционирования при постоянном напряжении в течение периода времени, достаточного для того, чтобы датчик детектировал скорость вращения вращающейся детали. Источник постоянного напряжения может, например, быть способным выводить напряжение в диапазоне, которое может меняться в течение периода времени.
В дополнение, следует отметить, что в то время как источник напряжения пытается поддерживать постоянное напряжение, напряжение на электроде может фактически колебаться вследствие задержки между возмущением поля электрода и откликом источника напряжения. Термин «постоянный» должен быть интерпретирован соответствующим образом, так как любое такое отклонение может не приниматься во внимание.
Должно быть понято, что элементом вращающейся детали с выступающим элементом является любой элемент, который вызывает возмущение в электрическом поле во время своего прохождения через поле. Характерным элементом, может, например, быть элемент трехмерной конфигурации вращающейся детали или локализованным изменением свойства материала вращающейся детали (включая локализованное изменение материала), или их комбинацию.
Диэлектрическая среда может, например, содержать жидкость или газ (например, воздух) между электродом и вращающейся деталью, или непроводящее твердое вещество (например, электрически изолирующий пластический материал), или сочетание двух или более из них.
Схема датчика может содержать делитель частоты для приема второго сигнала и вывода третьего сигнала.
Схема датчика может содержать счетчик частоты для приема второго или третьего сигналов и подачи третьего сигнала, показывающего частоту возмущения. Схема датчика может включать в себя выходной разъем или кабель для подключения к контроллеру или другому средству для определения скорости вращения вращающейся детали из второго, третьего или четвертого сигналов.
Схема датчика может содержать средство для определения скорости вращения вращающейся детали из упомянутых первого, второго, третьего или четвертого выходных сигналов.
Источник напряжения может подавать напряжение, большее чем +/-30, например, в диапазоне от +/-30 В до +/-500 В или выше. В некоторых вариантах осуществления могут быть подходящими высокие значения напряжения в +/-1 кВ или более. В других вариантах осуществления могут быть подходящими напряжения в диапазоне от +/-30 до +/-150 В. Одним предпочтительным диапазоном напряжений является от +/-50 до
+/-150 В, например, порядка 120 В.
Например, повышенное напряжение датчика относительно соответствующего потенциала земли позволяет детектировать возмущение и дает улучшенные отношения сигнал/шум. Было обнаружено, что напряжения намного выше типичных напряжений, используемых в типичных электронных цепях (например, 5 В или 12 В), вызывают эффекты при движении заряда, которые согласуются с каждым оборотом вращающейся детали, тогда как более низкие напряжения позволяют потенциалу электрода колебаться в ответ на загрязнения в ближайшем потоке текучей среды, или любое другое изменение в потенциале любого соответствующего эффективного потенциала земли вследствие плохих электрических связей (таких как из-за вала или колеса, подсоединенного к земле через носитель масляной пленки).
По меньшей мере, участок датчика скорости может быть электрически экранирован, по меньшей мере, одним проводящим экраном. Например, соединение между электродом и схемой датчика (которая может быть удалена от электрода) или между элементами схемы датчика (которые могут быть удалены друг от друга) может быть экранировано.
Экран может поддерживаться под управляемым электрическим потенциалом.
Схема усилителя может включать в себя усилитель экрана, выходной сигнал которого приводит в действие каждый проводящий экран.
Датчик скорости может содержать, по меньшей мере, два проводящих экрана, экранирующих соответствующие участки схемы.
Усилитель экрана или усилитель каждого экрана могут поддерживать на каждом проводящем экране одинаковый электрический потенциал. Усилитель экрана или усилитель каждого экрана предпочтительно имеет единичное усиление.
Усилитель экрана или усилитель каждого экрана может быть подключен к усилителю сигнала.
Контур обратной связи может быть подключен параллельно усилителю и включать в себя первый конденсатор. В одном варианте осуществления усилитель экрана подключен последовательно с усилителем сигнала, а контур обратной связи подключен параллельно усилителю сигнала и усилителю экрана, при этом контур обратной связи включает в себя первый конденсатор. Первый конденсатор может быть частью емкостного делителя, который предназначен для уменьшения эффективной емкости конденсатора. Емкостный делитель может содержать первый конденсатор и делитель напряжения.
Коэффициент усиления схемы усилителя может управляться конденсатором с величиной менее 10 пФ, более предпочтительно менее 100 пФ, более предпочтительно менее 1 пФ, более предпочтительно менее 0,1 пФ, или еще более предпочтительно меньше, чем 0,01 пФ. Этот конденсатор может присутствовать в делителе емкости, например, отмечено выше, для обеспечения дополнительно уменьшенной эффективной емкости, которая предпочтительно меньше, чем 10 пФ, более предпочтительно меньше, чем 1 пФ, более предпочтительно меньше, чем 0,1 пФ, более предпочтительно меньше, чем 0,01 пФ, и наиболее предпочтительно меньше 0,001 пФ.
В предпочтительных вариантах осуществления первый выходной сигнал является модулированным напряжением.
Детектор тока может содержать конденсатор и сопротивление, подключенные параллельно через источник напряжения, причем электрод подключен к узлу между источником питания и первым выводом конденсатора, а первый выходной сигнал снимается с узла между вторым выводом конденсатора и сопротивлением.
Электрод может иметь поверхность, из которой продолжается электрическое поле, по меньшей мере, часть этой поверхности, которая используется, будет наиболее близкой к вращающейся детали, закрытой корпусом из защитного материала. Защитный материал может быть, например, непроводящим.
Электрод может содержать тело электрода и поверхность электрода, из которой продолжается электрическое поле, по меньшей мере, часть данной поверхности, которая используется, будет наиболее близко расположенной к вращающейся детали, определяемому проводящим материалом, отличным от тела электрода.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предложена вращающаяся машина, содержащая:
вращающуюся деталь с выступающим элементом, поддерживаемым для вращения вокруг оси, и датчик скорости для детектирования скорости вращения вращающейся детали, датчик скорости, содержащий:
электрод, зафиксированный в расположении относительно упомянутой оси;
источник постоянного напряжения, подключенный к электроду для установления электрического поля между электродом и частью с по существу постоянным потенциалом вращающейся машины,
при этом электрод расположен так, что по меньшей мере один элемент вращающейся детали с выступающим элементом проходит через электрическое поле, в то время как вращающаяся деталь вращается вокруг упомянутой оси, тем самым возмущая электрическое поле при каждом обороте вращающейся детали;
детектор тока для детектирования электрического тока между источником напряжения и электродом в ответ на возмущение электрического поля; и
схему усилителя, содержащую усилитель сигнала для усиления первого сигнала и вывода второго сигнала, модулированного на частоте, соответствующей частоте возмущения электрического поля;
при этом напряжение электрода, коэффициент усиления усилителя и положение электрода относительно вращающейся детали выбраны так, что модуляция второго сигнала преимущественно вызывается возмущением электрического поля в диэлектрической среде посредством создания и/или движения ионов в поле.
По существу участок с постоянным потенциалом вращающейся машины может быть упомянутой вращающейся детали.
Вращающаяся деталь может, например, быть непроводящим, а участок с постоянным потенциалом вращающейся машины может быть проводящим телом, поддерживаемым вращающейся машиной в фиксированном положении относительно электрода, так что, по меньшей мере, один элемент вращающейся детали с выступающим элементом проходит между электродом и участком с постоянным потенциалом при каждом обороте вращающейся детали вокруг оси.
Участок с постоянным потенциалом вращающейся машины может, например, быть проводящим участком корпуса вращающейся машины. В качестве альтернативы, вращающаяся деталь может быть смонтирована на валу, по меньшей мере, участок которого является проводящим и содержит участок с постоянным потенциалом вращающейся машины.
Вращающаяся деталь может содержать множество выступающих элементов на вращающейся детали, предпочтительно поверхность электрода, через которую проходит электрическое поле, имеет протяженность в направлении вращения вращающейся детали меньшую, чем промежуток между выступающими смежными элементами вращающейся детали.
Выступающий элемент или каждый выступающий элемент может содержать физический выступ и/или локализованное изменение в свойствах материала вращающейся детали.
В некоторых вариантах осуществления выступающий элемент является физический выступ, включая грань.
Выступающий элемент или каждый выступающий элемент может быть выступающей частью, проходящей, по существу, в радиальном и/или аксиальном направлении по отношению к оси. Например, выступающий элемент или каждый выступающий элемент может быть лопастью или пластиной.
Вращающаяся деталь может вращаться внутри камеры, заданной корпусом, в данной камере может находиться текучая среда, так что электрическое поле проходит через текучую среду между электродом и вращающейся деталью. Корпус может иметь впускное отверстие для текучей среды и выпускное отверстие для текучей среды, а камера может находиться в потоке текучей среды между впускным и выпускным отверстиями.
Вращающаяся машина может быть турбомашиной. Например, вращающаяся машина может быть турбиной или компрессором (включенным, например, в турбокомпрессор или другое) и вращающаяся деталь может быть колесом турбины или колесом компрессора.
Электрод может поддерживаться посредством элемента, вставленного во впускное отверстие или выпускное отверстие, электрически изолированное от элемента. Вставленный элемент может быть кольцеобразным элементом, таким как, например, поглотитель шума компрессора.
В некоторых вариантах осуществления электрод поддерживается корпусом вращающейся машины, при этом он электрически изолирован от упомянутого корпуса.
Электрод предпочтительно не подвержен воздействию текучей среды. Электрод может, например, быть отделен от текучей среды слоем или телом из материала, который является, по меньшей мере, существенно инертным к текучей среде. Электрод может быть отделен от текучей среды слоем или телом из электрически изолирующего материала.
Безотносительно способа поддержки электрода, в некоторых вариантах осуществления (таких как, например, где вращающейся машиной является компрессор) электрод предпочтительно имеет фиксированное расположение относительно корпуса, и установленное минимальное расстояние от вращающейся детали (этот минимум может быть только при одном или более ориентациях колеса, и может зависеть от колеса, принимая любой осевой люфт в подшипнике, и любое обычное термическое и центробежное расширение). Это минимальное расстояние предпочтительно, по меньшей мере, 0,1 мм, более предпочтительно, по меньшей мере, 0,2 мм, более предпочтительно, по меньшей мере, 0,3 мм, более предпочтительно, по меньшей мере, 0,4 мм, более предпочтительно, по меньшей мере, 0,6 мм, более предпочтительно, по меньшей мере, 0,8 мм, более предпочтительно, по меньшей мере, 1 мм, более предпочтительно, по меньшей мере, 1,5 мм, более предпочтительно, по меньшей мере, 2 мм, более предпочтительно, по меньшей мере, 5 мм, и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 10 мм.
Это расстояние также предпочтительно меньше, чем тройной диаметр вращающейся детали, или его части, проходящей через область электрического поля, и более предпочтительно, меньше указанного диаметра, а наиболее предпочтительно, меньше трети диаметра. Там, где вращающаяся деталь имеет набор лопастей, расстояние дополнительно предпочтительно меньше, чем промежуток между лопастями в области электрического поля, более предпочтительно, его половины.
Участок с постоянным потенциалом машины может находиться на потенциале земли или возможном потенциале земли.
Датчик скорости может быть датчиком скорости по любому аспекту изобретения.
В третьем аспекте изобретения предложен способ измерения скорости вращающейся машины, содержащей выступающий элемент вращающейся детали, поддерживаемый при вращении вокруг оси, с использованием датчика скорости по любому аспекту изобретения.
Согласно четвертому аспекту изобретения, предложен способ измерения скорости вращающейся машины, содержащей выступающий элемент вращающейся детали, поддерживаемый при вращении вокруг оси, причем способ содержит этапы, на которых:
поддерживают электрод в положении относительно оси;
подают постоянное напряжение на электроде для установления электрического поля между электродом и участком с, по существу, постоянным потенциалом вращающейся машины;
при этом электрод расположен так, что, по меньшей мере, один выступающий элемент вращающейся детали проходит через электрическое поле, в то время как вращающаяся деталь вращается вокруг оси, тем самым возмущая электрическое поле при каждом обороте вращающейся детали;
детектируют ток, протекающий между источником напряжения и электродом в ответ на возмущение электрического поля для получения первого сигнала, модулированного на частоте возмущения;
усиливают первый сигнал и выводят второй сигнал, модулированный на частоте, соответствующей частоте возмущения электрического поля;
при этом напряжение электрода, коэффициент усиления усилителя и положение электрода относительно вращающейся детали выбраны так, что модулирование второго сигнала преимущественно вызывается возмущением электрического поля в диэлектрической среде посредством создания и/или движения ионов в поле; и
определяют скорость вращения из модуляции сигнала.
Согласно пятому аспекту изобретения предложен датчик скорости для использования при измерении скорости вращения выступающего элемента вращающейся детали, содержащий электрод и схему датчика;
при этом схема датчика содержит:
источник постоянного напряжения для подачи напряжения на электрод для генерирования электрического поля;
детектор тока для детектирования тока, протекающего между источником постоянного напряжения и электродом вследствие возмущения электрического поля посредством прохождения, по меньшей мере, одного выступающего элемента вращающейся детали через электрическое поле при вращении вращающейся детали;
детектор тока, выводящий первый сигнал, модулированный на частоте, соответствующей частоте возмущения электрического поля.
Схема датчика предпочтительно дополнительно содержит усилитель сигнала для усиления первого выходного сигнала и вывода второго выходного сигнала.
Напряжение электрода, коэффициент усиления усилителя и расстояние между электродом и вращающейся деталью может быть выбрано таким, что импульсы тока электрода будут генерироваться преимущественно перемещением ионов, проходящих через локализованное электрическое поле. Ионы могут быть, по меньшей мере, в текучей среде или поглощенными в непроводящее твердое вещество.
По меньшей мере, участок датчика скорости может быть электрически экранирован, по меньшей мере, одним проводящим экраном, на котором может поддерживаться управляемый электрический потенциал. Предпочтительно датчик включает в себя, по меньшей мере, один усилитель экрана, выходной сигнал которого приводит в действие проводящий экран или каждый проводящий экран. Усилитель экрана или каждый усилитель экрана может быть подключен к усилителю сигнала. Усилитель экрана, например, может быть подключен последовательно с усилителем сигнала, а схема датчика может включать контур обратной связи, подключенный параллельно усилителю сигнала и усилителю экрана, причем контур обратной связи включает в себя первый конденсатор. Первый конденсатор может быть частью емкостного моста (который может содержать первый конденсатор и делитель напряжения), который приспособлен для уменьшения эффективной емкости конденсатора.
Согласно шестому аспекту изобретения предложен способ для измерения скорости вращающейся машины, содержащей выступающий элемент вращающейся детали, поддерживаемый в состоянии вращения вокруг оси, содержащий этапы, на которых:
поддерживают электрод в положении относительно оси;
подают постоянное напряжение на электрод для установления электрического поля между электродом и участком с, по существу, постоянным потенциалом вращающейся машины; причем электрод расположен так, что, по меньшей мере, один выступающий элемент вращающейся детали проходит через электрическое поле при вращении вращающейся детали вокруг оси, тем самым возмущая электрическое поле при каждом обороте вращающейся детали;
детектируют ток, протекающий, между источником напряжения и электродом в ответ на возмущение электрического поля для получения первого сигнала, модулированного на частоте возмущения; и определяют скорость вращения из модуляции сигнала.
Считается, что датчик функционирует посредством детектирования возмущения в электрическом поле вследствие или дополнительно следующему:
модуляции распределения заряда в электрическом поле вследствие перемещения заряда, создаваемого трением (трибоэлектрический эффект). Трение может, например, быть внутри самой текучей среды (например, турбулентность) или между текучей средой и телом в трубопроводе текучей среды (таким, как выступающий элемент вращающейся детали);
модуляции распределения заряда в электрическом поле вследствие изменения физических свойств текучей среды, вызванного движением выступающего элемента вращающейся детали через электрическое поле (например, увеличенного давления, приводящего к увеличенной плотности заряда);
модуляции электрических свойств любого диэлектрического материала, в котором создано электрическое поле (например, давления, и/или температуры, и/или влажности, или других изменений, влияющих на диэлектрическую постоянную диэлектрического материала).
Соответственно один аспект настоящего изобретения является способом измерения скорости вращения выступающего элемента, поддерживаемого при вращении вокруг оси, содержащий этапы, на которых:
поддерживают электрод в положении относительно оси;
подают постоянное напряжение на электрод для установления электрического поля между электродом и телом с, по существу, постоянным потенциалом;
при этом электрод расположен так, что, по меньшей мере, один выступающий элемент вращающейся детали проходит через электрическое поле, в то время как вращающаяся деталь вращается вокруг оси, тем самым возмущая электрическое поле при каждом обороте вращающейся детали;
детектируют ток, протекающий между источником напряжения и электродом в ответ на возмущение электрического поля для получения сигнала, модулированного на частоте возмущения; и
определяют скорость вращения из модуляции сигнала;
при этом возмущение происходит вследствие одного или в дополнение следующих эффектов:
модуляции распределения заряда в электрическом поле вследствие перемещения заряда, создаваемого трением (трибоэлектрический эффект). Трение может, например, быть внутри самой текучей среды (например, турбулентность) или между текучей средой и телом в трубопроводе текучей среды (таким, как выступающий элемент вращающейся детали);
модуляции распределения заряда в электрическом поле вследствие изменения физических свойств текучей среды, вызванного движением выступающего элемента вращающейся детали через электрическое поле (например, увеличенного давления, приводящего к увеличенной плотности заряда); и
модулирования электрических свойств любого диэлектрического материала, в котором сформировано электрическое поле (например, давления и/или температуры и/или влажности или других изменений, влияющих на диэлектрическую постоянную диэлектрического материала).
Сходным образом, согласно настоящему изобретению предложен датчик для измерения скорости вращения выступающего элемента вращающейся детали, поддерживаемой при вращении вокруг оси, содержащий электрод и схему датчика;
причем схема датчика содержит:
источник постоянного напряжения для подачи напряжения на электрод для генерирования электрического поля;
детектор тока для детектирования тока, протекающего между источником постоянного напряжения и электродом вследствие возмущения электрического поля посредством прохождения, по меньшей мере, одного выступающего элемента вращающейся детали через электрическое поле при вращении вращающейся детали;
детектор тока, выводящий первый сигнал, модулированный на частоте, соответствующей частоте возмущения электрического поля;
причем возмущение электрического поля вызывается одним или более из следующих эффектов:
модуляции распределения заряда в электрическом поле вследствие перемещения заряда, создаваемого трением (трибоэлектрический эффект). Трение может, например, быть внутри самой текучей среды (например, турбулентность) или между текучей средой и телом в трубопроводе (таким, как выступающий элемент вращающейся детали);
модуляции распределения заряда в электрическом поле вследствие изменения физических свойств текучей среды, вызванной движением выступающего элемента вращающейся детали через электрическое поле (например, увеличенного давления, приводящего к увеличенной плотности заряда); и
модуляции электрических свойств любого диэлектрического материала, в котором создано электрическое поле (например, давления, и/или температуры, и/или влажности, или других изменений, влияющих на диэлектрическую постоянную диэлектрического материала).
Схема датчика предпочтительно включает в себя усилитель, рабочие характеристики которого обеспечивают усиление выходного сигнала из-за одного или более этих эффектов, в то же время минимизируя шум сигнала, который может в противном случае мешать детектированию модуляции сигнала вследствие возмущения. Усилитель может, например, включать в себя усилитель сигнала и усилитель экрана, как обсуждалось выше.
Изобретение предполагает создание способа измерения изменений в характеристиках текучей среды, содержащего этапы, на которых:
поддерживают электрод, в положении относительно текучей среды;
подают постоянное напряжение на электрод для формирования электрического поля между электродом и телом с, по существу, постоянным потенциалом, при этом электрод размещают так, что электрическое поле проходит в текучую среду:
детектируют ток, протекающий между источником напряжения и электродом в ответ на возмущение электрического поля вследствие изменений характеристики текущей среды; и
определяют изменение в характеристике из детектированного тока;
при этом возмущение имеет место вследствие:
модуляции распределения заряда в электрическом поле вследствие перемещения заряда вызванного изменением в характеристике; и/или модуляции диэлектрической постоянной жидкости вследствие изменения в характеристике.
Характеристика может, например, быть температурой, давлением, влажностью или химическим составом жидкости.
Согласно изобретению предложен способ измерения массового расхода текучей среды, текущей через трубопровод, при этом способ содержит этапы, на которых:
поддерживают электрод в первом расположении относительно трубопровода;
подают постоянное напряжение на электрод для установления электрического поля между электродом и телом с, по существу, постоянным потенциалом, при этом электрод размещают так, что электрическое поле проходит в трубопровод:
изменяют характеристику текучей среды во втором расположении выше по потоку от первого расположения;
детектируют ток, протекающий между источником напряжения и электродом в ответ на возмущение электрического поля вследствие измененной характеристики текущей среды; и
определяют массовый расход текучей среды из промежутка от первого до второго расположения и истекшего времени между изменением характеристики текучей среды и детектированием тока.
Другие предпочтительные и особенно полезные признаки изобретения будут очевидны из последующего описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 - осевое сечение через турбокомпрессор с турбиной с фиксированной геометрией, который иллюстрирует базовые компоненты турбокомпрессора;
Фиг.2 - общий вид корпуса компрессора турбокомпрессора в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения;
Фиг.3 - поперечное сечение участка компрессора на Фиг.2;
Фиг.4 - продольное сечение сборки электродов датчика компрессора на Фиг.2 и 3;
Фиг.4a - схематические признаки схемы датчика в соответствии с изобретением;
Фиг.5 - общий вид корпуса компрессора турбокомпрессора в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения;
Фиг.6 - поперечное сечение вставки подавителя шума турбокомпрессора на Фиг.5;
Фиг.7 - поперечное сечение участка компрессора на Фиг.5;
Фиг.8 - принципиальная схема варианта осуществления схемы датчика в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.9 - принципиальная схема дополнительного варианта осуществления схемы датчика, согласно настоящему изобретению;
Фиг.10a - упрощенное схематичное поперечное сечение, через электропроводящее колесо компрессора и сборку соседнего электрода в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.10b - упрощенное схематичное поперечное сечение, через электрически непроводящее колесо компрессора, поддерживаемое на электропроводящем валу, и сборку соседнего электрода в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.10c - упрощенная схема поперечного сечения через электрически непроводящее колесо компрессора и сборку соседнего электрода в соответствии с настоящим изобретением; и
Фиг.11a и 11b схематично иллюстрируют линии электрического поля между электродом датчика согласно изобретению и вращающейся детали.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.1 показано поперечное сечение обычного турбокомпрессора с турбиной с фиксированной геометрией, который иллюстрирует базовые компоненты турбокомпрессора. Турбокомпрессор содержит турбину 1, присоединенную к компрессору 2 через корпус 3 центрального подшипника. Турбина 1 содержит корпус турбины 4, который вмещает колесо 5 турбины. Аналогично, компрессор 2 содержит корпус 6 компрессора, который вмещает колесо 7 компрессора. Колесо 5 турбины и колесо 7 компрессора смонтированы на противоположных концах общего турбовала 8, который поддерживается на сборках 9 подшипников в корпусе 3 подшипников.
Корпус 4 турбины снабжен впускным отверстием 10 выхлопного газа и выпускным отверстием 11 выхлопного газа. Впускное отверстие 10 направляет входящий выхлопной газ в кольцеобразную впускную камеру, например спиральную камеру 12, окружающую колесо 5 турбины и сообщающуюся вместе с этим через радиально проходящий впускной проходной канал 13. Вращение колеса 5 турбины вращает колесо 7 компрессора, которое втягивает воздух через осевое впускное отверстие 14, заданное частично посредством кольцевой стенки 6a впускного отверстия, и подает сжатый воздух на воздухозаборник двигателя (не показан) через выпускное отверстие 15.
Фиг.2-4a иллюстрируют компрессор турбокомпрессора, включающий в себя датчик скорости турбокомпрессора в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Хотя признаки корпуса 6 компрессора в подробностях отличаются от таковых компрессора турбокомпрессора на фиг.1, конструкция, в общем, является аналогичной и для идентификации соответствующих признаков используются одинаковые ссылочные позиции. Сборка 16 датчика скорости согласно изобретению подходит к корпусу 6 компрессора. Сборка 16 датчика (показанная отдельно на фиг.4) содержит удлиненный электрод 17, удерживаемый в электропроводной защитной трубке 18, которая проходит через в целом радиальное отверстие 19, предусмотренное через стенку корпуса компрессора. Отверстие 19 открывается на внутренней поверхности 20 компрессора, которая формируется лопастями колеса 7 компрессора, так что увеличенный конец 21 электрода 17 расположен в близости к колесу 7 компрессора. Противоположный конец электрода 17 и защитная трубка 18 соединены с PCB 22 (печатной платой), которая помещена в электрически изолирующую оболочку 23 датчика, который включает в себя трубчатый участок 24, который покрывает защитную трубку 18. Сборка 16 датчика прикреплена к корпусу 6 посредством болта 25, который проходит через отверстие 26 в оболочке 23 датчика и в нарезное отверстие 27 в стенке корпуса. Предусмотрена кольцевая уплотнительная прокладка 28 для изоляции датчика в отверстии 19. Дополнительное нарезное отверстие 28a также предусмотрено с тем, чтобы облегчить размещение устройства датчика впускного отверстия, такого как датчик температуры (не показан).
PCB 22 электрически соединяет электрод 17 и защитную трубку 18 со схемой 29 датчика, расположенной на PCB 22 (схематически показано на фиг.4a). Схема 29 датчика содержит источник 31 постоянного напряжения, схему 32 детектирования тока, усилитель 33 и счетчик 34 частоты. Счетчик частоты может содержать делитель частоты (не показан). Счетчик частоты выводит сигнал, соответствующий скорости вращения колеса компрессора, который может, например, подаваться через соединительный кабель 30 на электронный блок управления двигателя (ECU) или другой контроллер. Дополнительные подробности и функционирование примерных вариантов осуществления схемы датчика описаны далее.
Второй вариант осуществления датчика скорости турбокомпрессора согласно настоящему изобретению проиллюстрирован на фиг.5 и 7. Хотя признаки корпуса компрессора в частностях отличаются от таковых компрессора турбокомпрессора на фиг.1 и 2-4, для идентификации соответствующих признаков используются одинаковые ссылочные номера. Компрессор (фиг.5) включает в себя поглотитель 35 шума в виде пластиковой вставки, которая установлена во впускном отверстии 14 компрессора. Предоставление поглотителя шума компрессора в качестве отдельной вставки в корпус компрессора является известным в данной области техники, и функционирование поглотителя шума не будет подробно описываться.
Тем не менее, как показано на фиг.6, поглотитель 35 шума является кольцеобразной структурой, которая включает в себя трубчатый участок 36.
В соответствии с настоящим изобретением, компрессор включает в себя сборку 16 датчика, которая включает в себя электрод 17, который внедрен в пластиковую вставку 35 поглотителя шума (фиг.6 и 7). Электрод 17 обычно имеет L-образную форму, имеющую аксиально-выступающий участок 17a и радиально-выступающий участок 17b, который выдается в отверстие 37, предусмотренное во вставке 35 поглотителя для соединения с другими компонентами сборки 16 датчика, как проиллюстрировано на фиг.7.
Корпус 6 (фиг.7) компрессора снабжен радиальным соединительным отверстием 38 в стенке 6а впускного отверстия, которое выравнивает отверстие 37 вставки 35 поглотителя для облегчения электрического соединения с радиальным участком 17b электрода 17. Трубчатый участок 36 вставки 35 выступает в направлении колеса компрессора (не показано), так что конец осевого участка 17а электрода 17 лежит близко к колесу компрессора.
Сборка 16 датчика дополнительно содержит электрически изолирующую оболочку 23 датчика, которая вмещает РСВ 22, подключенную к электропроводящему гнезду 39. Гнездо 39 расположено в трубчатом участке 40 оболочки 23, которая вставлена в отверстие поглотителя, так что радиальный участок 17b подключения электрода проходит в гнездо 39. Трубчатый участок 40 может быть запрессован в отверстие 37, а участок 17b электрода может быть запрессован в гнездо 39. Конец участка 17b электрода является конусным для того, чтобы облегчить вставку в гнездо 39. Кольцевая уплотнительная прокладка 28 изолирует оболочку 23 датчика относительно отверстия 38. Сборка 16 датчика прикреплена к корпусу 6 посредством болта 25, который проходит через отверстие 26 в оболочке 23 и в нарезное отверстие 27 в стенке 69 корпуса.
РСВ 22 соединяет электрод 17 (через схему 29 датчика, расположенную на РСВ 22) с выходным контактом 41, который предусмотрен для соединения с блоком электронного управления двигателем или другим контроллером. Схема датчика не показана, но является аналогичной схеме 29 датчика, схематично проиллюстрированной на фиг.4a.
Вставка электрода 17 в съемную вставку 35 обеспечивает, что встраивание датчика в турбокомпрессор является простым и может быть выполнено с очень низкими затратами. Электрод 17 может быть, например, простым проводящим (например, медным) проводом. Предпочтительно он изготовлен из прочного металла. Другие конфигурации впускного отверстия компрессора могут быть легко приспособлены соответствующим конфигурированием вставки 35 поглотителя без необходимости изменения других деталей сборки 16 датчика или корпуса 6 компрессора. Электрод может также быть заменен, если необходимо, просто посредством замены сменной вставки 35 поглотителя.
Оба вышеописанных варианта осуществления изобретения имеют одинаковую схему 29 датчика и функционируют одинаковым образом, описано ниже.
Напряжение V подается между потенциалом земли и электродом 17 посредством источника 42 постоянного напряжения. Это создает электрическое поле между электродом 17 и колесом 7 компрессора, которое имеет возможный потенциал земли. При вращении колеса 7 компрессора, лопасти колеса последовательно проходят мимо расположения электрода 17. Электрическое поле между электродом и колесом компрессора возмущается, когда каждая лопасть проходит через электрическое поле. Ток течет между источником напряжения и электродом в ответ на возмущение электрического поля, когда источник напряжения пытается поддержать напряжение V на электроде. Электрический ток, таким образом, модулируется с частотой, зависящей прямо пропорционально от скорости вращения колеса компрессора. Детектированный ток усиливается усилителем 33 и усиленный сигнал подается на счетчик 34 частоты, который выводит сигнал, показывающий мгновенную скорость колеса компрессора (т.е. турбокомпрессора).
Примерные варианты осуществления схемы датчика будут теперь раскрыты со ссылкой на фиг.8 и 9.
На фиг.8 схема иллюстрирует принципы функционирования участка схемы 29 датчика. Источник 42 питания постоянного тока электрически подключен через резистор 43 к электроду 17. Источник 42 питания также электрически соединен с общей землей 44. Общая земля 44 может быть проводящей частью или может быть рамой или шасси транспортного средства, в котором расположен турбокомпрессор, или может быть землей (в частности, в случае, когда турбокомпрессор предназначен для стационарного двигателя, такого как генератор). Колесо компрессора также находится на общем потенциале земли 45. Это создает электрическое поле между электродом и колесом компрессора. Как обсуждалось выше, модулированный ток будет протекать между источником напряжения и электродом при вращении колеса компрессора. Этот ток будет создавать напряжение на соединении 46, промежуточном между электродом 17 и резистором 43 при зарядке. Соединение 46 электрически соединено с общей землей 44 через конденсатор 47 и резистор 48. Изменение напряжения на соединении 46 вызывает ток, протекающий через разделительный конденсатор 47, который будет приводить к модуляции напряжения на втором соединении 49 между конденсатором 47 и резистором 48. Модуляция напряжения на соединении 49 усиливается подключенным усилителем 33, выход 50 которого затем подается на счетчик частоты 34. Счетчик частоты (не показан на фиг.8) может быть полностью традиционным.
На Фиг.9 показан второй вариант осуществления участка схемы 29 датчика. Вследствие того факта, что электрод 17 и его электрическое соединение со схемой датчика очень чувствительно к неблагоприятным внешним по отношению к турбокомпрессору электрическим полям, например радиопомехам, электрод 17 и электрическое соединение между электродом и схемой 29 датчика экранировано. В случае электрода вышеописанных вариантов осуществления изобретения, экранирование внешних неблагоприятных электрических полей традиционно обеспечено металлическим корпусом 6 компрессора, и в случае варианта осуществления фиг.2-4 экранирование также обеспечено посредством защитной трубки 18. Как таковой электрод 17 должен быть размещен удаленно от, по меньшей мере, части схемы детектирования (особенно, усилителя), при этом является важным, чтобы использовался экранированный кабель, такой как коаксиальный кабель, для подключения электрода 17 к схеме детектирования. Внутренний сердечник 51 экранированного кабеля несет сигнал от электрода 17, и окружен внешним защитным слоем 52. Коаксиальный кабель действует в качестве конденсатора. Внешняя емкость в кабеле компенсируется защищающим усилителем 53. На защищающем усилителе поддерживается управляемый потенциал, например, но не ограничиваясь, возможный потенциал земли.
Как и в предыдущем варианте осуществления схемы, источник 42 питания постоянного тока электрически соединен с электродом 17. Между источником 42 питания и электродом 17 находится схема 54 смещения, содержащая резисторы 55, 56 и 57 и конденсатор 58. Задачей схемы смещения является увеличение выходного отношения сигнал/шум. Конденсатор 58 схемы 54 смещения электрически соединен с выходом защищающего усилителя 53, так что схема 54 смещения обеспечивает больший импеданс для электрода 17. Функция конденсатора 47 в данном варианте осуществления очень похожа на функцию подобным способом пронумерованного конденсатора в предыдущем варианте осуществления, в том, что он подключает электрод 17 к входу защищающего усилителя 53. Защищающий усилитель 53 обеспечивает обнуление любой разности потенциалов между землей усилителя и землей колеса компрессора. В отличие от первого варианта осуществления схемы, земля колеса компрессора и усилителя могут быть не подключены к общей земле. Любая разность между землей усилителя и землей колеса компрессора будет приводить к неточным измерениям. Выходной сигнал защищающего усилителя 53 подается на внешний слой 52 экрана коаксиального кабеля. Это поддерживает постоянное напряжение на усилителе, так что усиливаются только изменения в сигнале электрода 17. В данном способе удаляется нежелательное содержимое сигнала, например, шум.
Выходной сигнал от защищающего усилителя 53 подается через промежуточный конденсатор 59 на вход инвертирующего усилителя 60. Емкостный делитель 61, содержащий резисторы 62, 63 и 64 и конденсатор 65, электрически подключен к усилителю 60 и действует в качестве элемента обратной связи, который подает напряжение смещения на усилитель 60. В дополнение, емкостный делитель 61 в сочетании с конденсатором 59 составляет фильтр высоких частот. Резистор 62 имеет очень высокое эффективное сопротивление, так что фильтр высоких частот имеет низкую частоту среза, так что датчик имеет общий частотный диапазон, начинающийся с низких частот. Фильтр низких частот (не показан) может также использоваться для удаления высокочастотных составляющих сигнала, которые не относятся к движению колеса компрессора.
Использование двух последовательно подключенных усилителей, в данном случае защищающего усилителя 53 и инвертирующего усилителя 60, является полезным в том, что оно обеспечивает сокращение затрат в сравнении с использованием одного высококачественного усилителя, который способен выполнять подобную функцию.
Дополнительный емкостный делитель 66, содержащий конденсаторы 67 и 68 и резисторы 69 и 70, электрически соединен между входом защищающего усилителя 53 и выходом инвертирующего усилителя 60. Емкостный делитель 66 действует в качестве элемента обратной связи вокруг обоих усилителей 53, 60. Емкостный делитель 66 предоставляет эффективно малый конденсатор 67 обратной связи, вследствие действия делителя напряжения резисторов 69 и 70, при этом резистор 69 непрямо электрически связан и отнесен к выходу защищающего усилителя 53. Выходной сигнал схемы может быть снят с точки 71, от которой он может быть затем подан на счетчик частоты (не показан), если необходимо, после дополнительного усиления.
Коэффициент усиления усилителей 53, 60 управляется емкостным делителем 66. Емкостный делитель предпочтительно предоставляет эффективную емкость вокруг усилителей 53, 60, которая предпочтительно меньше, чем 10 пФ, более предпочтительно меньше, чем 1 пФ, более предпочтительно меньше, чем 0,1 пФ, более предпочтительно меньше, чем 0,01 пФ, и еще более предпочтительно меньше, чем 0,001 пФ. В качестве альтернативы, емкостный делитель 66 может быть заменен одним конденсатором, подключенным к усилителям 53, 60. В этом случае конденсатор предпочтительно имеет величину менее 100 пФ, более предпочтительно менее 10 пФ, более предпочтительно менее 1 пФ, более предпочтительно менее 0,1 пФ, и еще более предпочтительно менее 0,01 пФ.
Использование емкостного делителя 66 (или эквивалентного конденсатора) с величиной в указанном выше диапазоне управляет коэффициентом усиления усилителей 53, 60, так что используемый электрод 17 может иметь меньшую эффективную площадь и/или может быть помещен на большее расстояние от колеса компрессора, и может детектировать возмущение электрического поля, которое не было бы детектировано аналогичным датчиком с большими традиционными конденсаторами. Это особенно полезно, если датчик используется для измерения скорости большого компрессора, где факторы, такие как осевое смещение и термическое расширение колеса компрессора может ограничивать близость электрода 17 к колесу 7 компрессора.
В каждом из описанных выше вариантов осуществления скорость вращения колеса компрессора (например, турбокомпрессора) может быть определена просто делением частоты модуляции на количество лопастей в колесе 7 компрессора. Этот расчет может быть выполнен в счетчике 34 частоты или, например, устройстве управления двигателем (ECU) или другом контроллере (таком, как, например, привод регулятора давления отработавших газов турбокомпрессора или механизм впуска переменной геометрии). Выходной сигнал от счетчика частоты 34 может, например, быть в формате CAN (локальной сети контроллеров), как будет принято во внимание специалистом в данной области техники. Предоставление ECU информации о скорости турбокомпрессора может, например, позволить ECU оптимизировать критичные рабочие параметры двигателя, к которому подключен турбокомпрессор, и также допускать исправляющие действия для предотвращения любого возможного вреда турбокомпрессору и/или двигателю в случае превышения скорости турбокомпрессора.
Поскольку известные емкостные датчики основываются на модуляции сопряжения между электродом и колесом компрессора для предоставления изменения в емкости, они не будут функционировать, если колесо компрессора изготовлено из электрически непроводящего материала. Это происходит потому, что без проводящего колеса компрессора не будет модуляции емкости чувствительной схемы по отношению к вращению турбомашины. В противоположность этому, как упомянуто выше, было показано, что датчик предложенного изобретения будет функционировать с электрически непроводящим колесом компрессора, например колесом, изготовленным из пластикового материала. Это происходит потому, что пластиковое колесо компрессора будет по-прежнему производить детектируемое возмущение в электрическом поле.
Другой проблемой, которую преодолевает настоящее изобретение, является проблема непостоянного потенциала земли. Одна сторона источника 42 питания подключена к общей земле, например корпус турбокомпрессора, блок двигателя, к которому подключен турбокомпрессор и рама/шасси транспортного средства, часть которого составляет турбокомпрессор. Как таковой потенциал земли корпуса турбокомпрессора должен быть проведен к колесу 7 турбокомпрессора. Тем не менее колесо 7 компрессора типично поддерживается с помощью вала 8 на масляном подшипнике 9 скольжения. Поэтому, по меньшей мере, одна масляная пленка присутствует между колесом 7 компрессора и потенциалом земли. При вращении вала 8 толщина, по меньшей мере, одной масляной пленки может изменяться, что в сочетании с сопротивлением масла, изменяющимся вследствие содержания сажи, может приводить к непостоянной разности между потенциалом земли корпуса турбокомпрессора и потенциалом колеса 7 компрессора. Непостоянный потенциал земли может приводить к ошибочным сигналам на электроде 17. Защищающий усилитель 33 по существу устраняет неблагоприятные эффекты непостоянного потенциала земли, так как изменения потенциала между землей усилителя и колеса 7 компрессора обнуляются посредством приложения обратной связи для того, чтобы поддерживать постоянное напряжение на усилителе 33.
Будет принято во внимание, что множество изменений может быть выполнено в частных вариантах осуществления описанного выше изобретения. Например, защитная трубка 18 первого варианта осуществления может быть опущена, если экранирование обеспечено корпусом 6 компрессора. Тем не менее в других вариантах осуществления изобретения корпус 6 может не быть изготовлен из подходящего проводящего материала, в случае чего защитная трубка 18 будет полезна. Сходным образом, в то время как второй вариант осуществления, описанный выше, не имеет отдельного экрана электрического поля, так как он обеспечивается корпусом компрессора, подобный экран (сходный с защитной трубкой 18) может быть добавлен в случае необходимости.
2
2
Во втором варианте осуществления изобретения, описанного выше, электрод 17 может быть таким, что его осевой участок 17a имеет порядок 100 мм в длину. Площадь поверхности электрода 17 в любом из вышеописанных вариантов осуществления может типично быть между 1 мм и 50 мм. В других вариантах осуществления размер электрода может изменяться. Например, электрод 17 может быть в виде полосы или может иметь осевой участок 17a, содержащий увеличенный лопаткообразный участок (например, он может быть на конце Т-образным). Дополнительно, увеличение может быть в двух направлениях (например, с формой в виде канцелярской или чертежной кнопки)для формирования основы, которая может быть в виде, по существу, треугольника или трапеции, или чтобы подходить к участку поверхности, мимо которой проходят лопасти колеса компрессора (или вращательно-симметричного элемента), например, в качестве удлиненной трапеции, искривленной по обеим осям.
Хотя электрод 17 может быть любого подходящего размера или формы, предпочтительно, чтобы угловые размеры электрода 17 по отношению к оси вращения колеса компрессора были меньше, чем половина углового промежутка между соседними лопастями колеса компрессора. Это минимизирует усреднение по времени возмущения электрического поля, вызываемого вращением колеса компрессора и поэтому уменьшает сглаживание сигнала.
Например, будет принято во внимание, что физическая структура электрода 17 может меняться. Простой проводящий провод может быть достаточен для множества приложений, в других случаях может быть полезна другая конфигурация для установления требуемого электрического поля. В приложениях, где электрод 17 может быть подвергнут загрязнению, предпочтительно, чтобы поверхность электрода не была незащищенной, как в вариантах осуществления, описанных выше, если электрод не изготовлен из материала, который не изготовлен из химически активного в конкретной среде материала. Тем не менее полезно, чтобы электрод был отделен от потока текучей среды (например, газа) материалом, который имеет высокую диэлектрическую постоянную. Подобным образом, конфигурация и конструкция оболочки 23 датчика может изменяться в зависимости от приложения и способа, которым датчик должен поддерживаться и подключаться.
Хотя во втором варианте осуществления изобретения, описанного выше, электрод 17 внедрен в поглотитель 35 шума, будет принято во внимание, что датчик может быть внедрен в любую подходящую вставку, которая имеет такую форму, чтобы подходить впускным отверстию 14.
Расположение датчика может также отличаться от проиллюстрированного расположения. Полезно расположить электрод вблизи колеса компрессора (или другого контролируемого вращающейся детали), где возмущение электрического поля является наибольшим. Может быть также предпочтительно, чтобы электрод не был расположен так, чтобы иметь любое неблагоприятное влияние на эффективное течение газа через компрессор. Тем не менее электрод может быть расположен в любом положении, в котором существуют существенные возмущения электрического поля, для точного детектирования. Это может быть выше или ниже по потоку колеса компрессора по отношению к направлению течения газа, и электрод может, например, быть расположен во впускном отверстии 14 или выпускном отверстии 15. Это может быть, например, определено посредством простой проверки в любом конкретном приложении изобретения. В дополнение, схема 29 датчика может быть расположена удаленно от электрода 19.
В вышеописанных вариантах осуществления схема 29 датчика расположена в РСВ 22. Это не обязательно должно иметь место. Схема датчика содержит источник 31 постоянного напряжения, детектор 32 тока, усилитель 33 и счетчик 34 частоты. Счетчик частоты может содержать делитель частоты. Любой из этих компонентов схемы может быть расположен удаленно от РСВ 22 и/или от сборки 16 датчика. Например, источник 31 постоянного напряжения и счетчик 34 частоты могут формировать часть ECU или другого контроллера, в то время как схема 32 детектирования тока и усилителя может быть расположена в РСВ 22. Конечно, электрические соединения всегда будут требоваться между электродом 17 и соответствующими компонентами схемы 32 детектирования. В другом очевидном варианте осуществления делитель частоты может быть расположен в PCB 22, его выходной сигнал подается на удаленный счетчик частоты, который подключен к ECU или другому контроллеру.
Как таковые, компоненты датчика могут быть разделены на две или более групп, одна из которых может быть физически расположена рядом с электродом, а другая может быть физически расположена удаленно, например, рядом или внутри ECU. Однако, предпочтительно, чтобы усилитель находится рядом с электродом для минимизации вероятности электрических помех. Если усилитель расположен удаленно от электрода, соединение между ними двумя предпочтительно электрически экранировано.
Альтернативные варианты осуществления схемы датчика, приспособленные для измерения модулированного тока, протекающего к электроду, могут быть с легкостью предложены специалистом с подходящим опытом. Напряжение, прилагаемое между электродом и колесом компрессора (или другой вращающейся детали), может быть определено как необходимое для установления электрического поля, которое проявляет измеряемое возмущение. В некоторых приложениях будет подходящим напряжение, большее 30 В, но для многих приложений напряжение, предпочтительно, больше 50 В, и более предпочтительно больше 70 В. Напряжения больше 120 В могут быть использованы, так как это легко обеспечить посредством легко доступных электронных компонентов. Намного более высокие напряжения, например, выше 500 В или выше 1 кВ могут быть также преимущественными в некоторых приложениях. Тем не менее использование таких высоких напряжений может неизбежно влечь за собой использование более устойчивых компонентов схемы. Напряжение на электроде может быть положительным или отрицательным по отношению к колесу компрессора (или другой вращающейся детали), так что электрод является либо анодом, либо катодом по отношению к колесу компрессора или другой вращающейся детали (который может быть электрически проводящим или непроводящим).
Согласно одному варианту осуществления, схема датчика может содержать только один усилитель с высоким коэффициентом усиления, хотя для некоторых приложений это может потребовать использование дорогого высококачественного усилителя. Согласно другому варианту осуществления, использованы два усилителя, один из которых является защитным усилителем (или усилителем экрана). Последний случай предлагает возможность использования более дешевых и низкокачественных компонентов. Хотя защитный усилитель может функционировать с любым подходящим коэффициентом усиления, предпочтительно, чтобы он функционировал с коэффициентом усиления, по существу равным 1, с тем, чтобы поддерживать внешний экранирующий слой экранированного кабеля и экран внешнего электрического поля на одинаковом потенциале.
В вышеописанных вариантах осуществления изобретения электрод смонтирован на корпус компрессора для измерения скорости вращения колеса компрессора. В других вариантах осуществления электрод может быть приспособлен для прямого измерения вращения колеса турбины или некоторого другого признака вала турбокомпрессора. Как таковой, датчик может быть смонтирован на турбине или на корпусах подшипников.
Будет принято во внимание, что изобретение не ограничено применением к турбокомпрессорам, но может быть использовано для измерения скорости вращения других вращающихся машин. Примеры таких вращающихся машин включают в себя, но не ограничиваются, газовыми или жидкостными турбинами (включающими в себя, например, силовую турбину или газовую турбину, или другой вид двигателя), или компрессор газа/жидкости, который не является частью турбокомпрессора, или, например, жидкостный насос. В таких альтернативных приложениях корпус устройства и/или вращающаяся деталь, который контролируется, могут быть непроводящими, такими как, например, пластиковое колесо с лопатками, вращающееся в пластиковом корпусе.
Также будет принято во внимание, что выбор материала, из которого изготовлены оболочка датчика, корпус аппарата или вращающаяся деталь, может быть такой, чтобы увеличивать возмущение электрического поля. Это может зависеть от свойства материала, такого как его положение в трибоэлектрическом ряду.
Более того, будет принято во внимание, что если изобретение должно быть применено к вращающейся машине, которая не содержит выступающий вдоль оси вращающейся детали, то этот элемент должен быть механически связан с вращающейся машиной. Например, скорость вала или другого вращающегося тела, которое не имеет выступ вдоль оси вращающейся детали, может быть измерена механически связывающим элементом с выступающим вдоль оси элементом с валом (или другим вращающимся телом), так что они вращаются совместно. Соответствующим образом, датчик согласно настоящему изобретению может детектировать вращение совместно вращающейся детали и тем самым определять скорость вращения вала (или другого вращающегося тела).
Как описано выше, изобретение измеряет возмущение в электрическом поле, сформированном между электродом и вращающейся деталью (например, колесом компрессора). Не желая быть ограниченными теорией, полагают, что возмущение может происходить из нескольких эффектов, обсуждаемых ниже.
На Фиг.10a схематично показан пример электрода 72, внедренного в тело 73 вблизи с вращающейся деталью, в данном случае, электропроводным колесом 74 компрессора. Тело 73 может быть выполнено из непроводящего материала (который может, например, быть керамическим или пластиковым элементом, таким как поглощающая вставка 35, описанная выше, или оболочка 23 датчика), в случае чего он может электрически (и термически) изолировать электрод 72 от поддерживающего корпуса или других поддерживающих структур. В качестве альтернативы, тело 73 может быть изготовлено из проводящего материала и, если необходимо, электрически изолировано от окружающего корпуса или поддерживающей структуры (если только поддержка сама не является непроводящей). В последнем случае тело будет предпочтительно содержать проводящий материал, который неактивен в среде, воздействию которой он подвергается (например, платина). Тело может также быть полностью опущено, в случае чего для электрода предпочтительно быть неактивным.
Приложение напряжения, как описано выше, создает электрическое поле между электродом 72 и участком с постоянным потенциалом, которым в данном случае является колесо 74. И тело 73, и газ 75 (например, воздух), текущий между колесом 74 и телом 73, ведут себя как диэлектрические материалы с разными диэлектрическими свойствами. Электрическое поле проходит на общее расстояние A между электродом 72 и колесом 74. Из общего расстояния A участок B от этого расстояния проходит через газ 75 (в данном случае воздух) между колесом 74 и телом 73. Электрическое поле проходит через участок C расстояния A через тело 73.
На Фиг.10b схематично показан другой пример электрода 72, внедренного в тело 73 вблизи с вращающейся деталью, в данном случае, электрически непроводящим колесом 74a компрессора, которое смонтировано с возможностью вращения на электропроводном валу 8. Приложение напряжения, как описано выше, между электродом 72 и валом 8, создает электрическое поле между электродом 72 и участком с постоянным потенциалом, которым в данном случае является вал 8. Тело 73, и газ 75 (например, воздух, текущий между колесом 74a и телом 73) и непроводящее колесо 74a компрессора ведут себя как диэлектрические материалы с разными диэлектрическими свойствами. Электрическое поле проходит на общем расстоянии A между электродом 72 и валом 8. Из общего расстояния A участок B этого расстояния проходит через газ 75 (в данном случае воздух) между колесом 74 и телом 73. Электрическое поле проходит через участок C расстояния A через тело 73. Электрическое поле проходит участком D через колесо компрессора.
На Фиг.10с схематично показан дополнительный пример электрода 72, внедренного в тело 73 вблизи с вращающейся деталью, в данном случае, электрически непроводящим колесом 74b компрессора. Приложение напряжения к электроду 72, как описано выше, создает электрическое поле между электродом 72 и участком с постоянным потенциалом компрессора 78, который может, например, быть участком корпуса компрессора (электрически изолированы при необходимости) или отдельным электродом, поддерживаемым корпусом. Тело 73, и газ 75 (например, воздух, текущий между колесом 74, телом 73 и участком 78 с постоянным потенциалом), и непроводящее колесо 74b компрессора ведут себя как диэлектрические материалы с разными диэлектрическими свойствами. Электрическое поле проходит на общее расстояние A между электродом 72 и участком 78 с постоянным потенциалом. Из общего расстояния A участки B и E расстояния проходят через газ 75 (в данном случае воздух) между колесом 74, телом 73 и участком 78 с постоянным потенциалом. Электрическое поле проходит участок C расстояния A через тело 73. Электрическое поле проходит участок D через колесо компрессора.
Ионы могут присутствовать в области электрического поля (термин «ионы» используется, чтобы ссылаться на любую заряженную частицу, которая подвергается воздействию электрического поля и во избежание сомнений включает в себя заряженные молекулы). В зависимости от того, поддерживается или нет на электроде более высокий или более низкий потенциал, чем у колеса, один из них формирует анод, а другой - катод. Отрицательно заряженные ионы будут притягиваться к аноду, а положительно заряженные ионы будут притягиваться к катоду. Свободные или подвижные ионы, испытывающие эту силу, будут двигаться либо к электроду 72, либо к колесу 74 компрессора. Подвижные ионы могут контактировать с электродом 17 или колесом 74 компрессора и непосредственно передавать заряд ему и/или его перераспределение может вызывать возмущение электрического поля в диэлектрических материалах. Предполагается, что возмущение в электрическом поле будет возникать, в частности, когда происходит объемное перераспределение ионов, так что ионы определенной полярности расположены в определенной области поля.
Подвижные ионы могут присутствовать в газе 75 и теле 73 в зависимости от их состава. При вращении колеса 74 компрессора, силы трения между ним и газом 75 могут приводить к потере или набору заряда поверхностью колеса 74, и поэтому создавать ионы. Силы трения между газом 75 и телом 73 (и любой другой поверхностью в потоке газа) могут приводить к потере или набору заряда открытой поверхностью тела 73 (или другой поверхностью), снова создавая ионы. В обоих из этих случаев с большой вероятностью ионы будут создаваться не только на открытых поверхностях, но также дополнительные ионы будут создаваться в газе 75. Более того, турбулентность в самом газе 75 может также приводить к созданию ионов. Одним возможным механизмом создания ионов является перемещение электронов.
Если ионы создаются в проводящем материале, таком как металл, то ионный заряд является подвижным (также известный как электрический ток) в проводящем материале под воздействием сдерживающего поля. Если ионы создаются в изолирующем материале, ионный заряд не является подвижным, и как таковой заряд аккумулируется на поверхности материала, где создаются ионы. В случае, когда ионы создаются в газе 75, ионы создают локализованный заряд. В газе 75 сами ионы являются подвижными, в отличие от ионного заряда в проводящем металле.
Проиллюстрированное колесо 74 компрессора содержит центральное главное тело 76, вокруг которого множество радиально выступающих наружу лопастей 77 расположено через равные угловые промежутки. При вращении колеса компрессора турбулентность газа 75 более ярко выражена около кромок лопастей 77. Как таковое создание ионов стимулируется, когда кромки лопастей 77 приближаются к электроду 72. Это происходит вследствие того факта, что турбулентность газа 75 (и поэтому любые силы трения, приводящие к созданию ионов) может быть большой в области рядом с электродом 72, а также факта, что любая электрическая сила, действующая на заряженную частицу вследствие электрического поля (такая как та, что воздействует на электрон для создания иона), тем больше, чем ближе заряженная частица к электроду 72. Если, например, колесо 74 компрессора является проводником, например металлом, то заряд будет также естественно накапливаться вокруг острых кромок каждой лопасти 77, даже когда колесо неподвижно.
Схема датчика, соединенная с электродом 72 не только содержит источник напряжения, который функционирует для подачи или приема заряда на или от электрода 72, так что ток протекает между источником напряжения и электродом, который детектируется. Движение заряда в электрическом поле, как на электроде 72, так и на колесе 74 компрессора, или тому подобного, вызывает массовое перераспределение и локализацию заряда, что приводит к возмущению электрического поля в диэлектрических материалах.
Вследствие того факта, что схема датчика, подключенная к электроду 72, способна подавать ток, возмущение электрического поля заставляет схему пытаться поддерживать общий потенциал заряда системы и, следовательно, противодействовать изменению поля диэлектрика. Для того чтобы выполнить это, компенсирующий ток протекает через электрод 72 для поддержания напряжения V на электроде.
При вращении колеса 74 компрессора, лопасти 77 многократно проходят мимо электрода 72. Вследствие того факта, что, как объяснялось выше, создание ионов стимулируется, когда кромки лопастей 77 приближаются к электроду 72, вращение колеса 74 компрессора вызывает модулированное возмущение электрического поля (которое может упоминаться как модуляция заряда). Как таковой ток, который протекает через электрод 72, также модулирован вращением колеса 74 компрессора на частоте, соответствующей скорости вращения колеса. Модулированный ток может быть усилен и подан на счетчик частоты для того, чтобы определить частоту модуляции и следовательно скорость вращения колеса 74.
Предполагается, что возмущение электрического поля может также рассматриваться как происходящее вследствие, по меньшей мере, частично, изменения в, по меньшей мере, одном из диэлектрических свойств материалов в электрическом поле, в данном случае, газа 75 и тела 73. Примером такого диэлектрического свойства является их диэлектрическая постоянная. Диэлектрическая постоянная может быть изменена, например, посредством изменения температуры или давления материалов. Это отличается от известных датчиков емкостного типа в том, что они понимаются как функционирующие с тем, чтобы детектировать изменение в емкости в датчике, происходящее из изменения расстояния между электродом и лопастями, тогда как датчик согласно изобретению использует изменение распределения заряда в или на поверхности диэлектрика и соответствующего возмущения электрического поля.
Как обсуждалось выше, электрическое поле предполагается не только стимулирующим создание ионов посредством предоставления возможности электронам преодолевать локализованные потенциалы их родительских атомов или молекул, но в дополнение оно создает потенциал, в котором и свободные ионы и свободные заряды перемещаются (например, отрицательно заряженные ионы или электроны в направлении анода и т.д.). В этом отношении электрическое поле может упоминаться как сдерживающее поле. Более того, электрическое поле помогает преодолевать проблему входного насыщения, которое происходит в известной электронике датчиков типа, сходного с типом в предлагаемом изобретении.
В отсутствие электрического поля многие ионы, присутствующие в колесе 74 турбины, газе 75 и теле 73, свободны для произвольного дрейфа, вследствие, например, термического движения. При дрейфе ионов они могут соударяться с другими объектами, такими как незаряженные атомы и молекулы. По этой причине в отсутствие электрического поля созданные заряженные ионы будут по существу свободны для дрейфа, что будет приводить к дрейфу электрического поля и следовательно нестабильному потенциалу на электроде. Потенциал на электроде может дрейфовать до такой степени, что он станет превышать амплитуду любого сигнала, происходящего из-за движения колеса 74 турбины. Как таковой упомянутый сигнал будет маскироваться и/или искажаться дрейфовым потенциалом. В крайнем случае, например, если заряженные частицы инжектируются в электрическое поле, напряжение дрейфа может также превышать допустимое входное напряжение чувствительной электроники. Это известно в качестве входного насыщения. Входное насыщение возникает, когда заряд, накопленный на электроде 72, имеет результатом потенциал, величина которого находится вне входного диапазона усилителя, который формирует часть упомянутых средств измерения. Посредством установления электрического поля это может быть предотвращено таким образом, что модуляция потенциала электрода, которая имеет место в качестве результата модуляции заряда в электрическом поле, является детектируемой, так как усилитель не будет перегружен потенциалом входного насыщения. Электрическое поле предотвращает развитие высокого потенциала на электроде вследствие дрейфа, который может в противном случае быть довольно велик для повреждения компонентов в чувствительной схеме.
Использование электрического поля, питаемого источником напряжения, которое может типично быть в диапазоне от 50В до 1кВ, означает, что перемещение любых ионов управляется в основном электрическим полем, а не термическим движением. Как таковая величина дрейфа ионов и, следовательно, в поле диэлектрика существенно уменьшается. В результате уменьшаются любые помехи потенциала электрода, тем самым увеличивая отношение сигнал/шум. В дополнение, электрическое поле, при минимизации дрейфа ионов, по существу предотвращает входное насыщение, тем самым избавляясь от необходимости подавать напряжение смещения на электрод 72, что ослабляло бы сигнал.
Использование источника напряжения также предполагается для улучшения амплитуды модуляции заряда. Это может следовать из источника напряжения, увеличивающего перемещение подвижных электронов через электрическое поле. Это действие может быть направлено на компенсацию или реакцию на изменения в распределении заряда, вызванном механическим воздействием выступающего элемента вращающейся детали. В этом способе возможный потенциал баланса заряда может быть достигнут посередине между сдерживающим потенциалом.
Аксиальный профиль электрода 72 может иметь такую форму, что она соответствует аксиальному профилю лопастей 77, когда они приближаются к электроду 72. Предполагается, что большая часть генерируемого заряда возникает на кромках лопасти 77. Если кромки лопасти 77 имеют ту же форму, что и электрод 72, это может увеличить сопряжение между ними двумя, так что максимизируется передача заряда между лопастями 77 и электродом 72.
Предполагается, что возмущение электрического поля может содержать изменения в электрическом поле, как, например, схематически проиллюстрировано на фиг.11a и 11b. Фиг.11a показывает эквипотенциальные линии поля вокруг электрода 79, поддерживаемого на повышенном напряжении источником постоянного напряжения, приближенном к непроводящему диэлектрическому выступающему вдоль оси элементу вращающейся детали 80. Фиг.11b иллюстрирует диэлектрический выступающий элемент 81 вращающейся детали, проходящего в участке поля, проходящего между электродом 79 и вращающейся деталью 80, тем самым конденсируя эквипотенциальные линии и увеличивая градиент электрического поля вблизи электрода. Увеличенный градиент эквивалентен ситуации, когда заряд помещен рядом с электродом, что вызывает протекание в нем тока.
Диэлектрический элемент 81 позволяет зарядам нарастать в направлении электрода 79. Молекулы поляризуются в диэлектрике в ответ на градиент поля и служат для противодействия ему. В диэлектрике с диэлектрической постоянной выше 1 (таком, как обычные пластики, которые находятся в диапазоне от 1,5 до 4) эквипотенциальные линии разделены в материале и следовательно, находятся ближе друг к другу сразу вне материала.
Увеличенное напряжение датчика по отношению к земле позволяет детектировать описанный эффект, и данная система измерения представляет улучшенные отношения сигнал/шум. Было обнаружено, что напряжения намного выше обычных напряжений, используемых в типичных электронных схемах (например, 5 В или 12 В), вызывают эффекты в движении заряда, которые согласуются с каждым оборотом, тогда как более низкие напряжения позволяют потенциалу датчика колебаться в ответ на загрязнения в соседнем потоке текучей среды, или любое другое изменение в потенциале любого соответствующего ближайшего заземления вследствие плохих электрических связей (как, например, вследствие вала или колеса, подсоединенного к земле через подшипник с масляной пленкой).