УСТРОЙСТВО ИМИТАЦИИ ВИХРЕТОКОВЫХ НАГРУЗОК

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для имитации виброперемещений при аттестации вихретоковых датчиков, предназначенных для контроля частоты вращения, линейных перемещений, величины зазора и уровня вибраций роторных машин, турбин и других механизмов в энергетике, нефтегазовой промышленности и других областях.
Обычно при аттестации вихретоковых датчиков используют приспособление для определения статической характеристики вихретокового преобразователя: электропроводящий экран в виде металлической пластины, которую перемещают с помощью микрометрического устройства, контролируя величину зазора в пределах от 0 до 3-5 мм с помощью какого-либо индикатора. Частота возбуждения современных вихретоковых датчиков составляет 800 кГц или 1200 кГц. Присутствие металлической пластины вблизи индуктивной катушки датчика уменьшает величину ее индуктивности, сдвигает резонансную частоту контура датчика в сторону высоких частот и увеличивает активное сопротивление за счет дополнительных потерь в контуре.
Известно устройство по авт.св. СССР №1580152, G01В 7/14, 1988 г., в котором используется вибростенд с набором измерительных скоб для валов различного диаметра. Поэтому определение динамических и частотных характеристик вихретокового датчика является трудоемкой операцией и, кроме того, частотный диапазон измерений ограничен до 1000 Гц, в то время как частотный диапазон датчиков расширен до 10 кГц.
Известен имитатор вихретоковых нагрузок по пат. РФ №2231020, G01В 7/14, 2993 г., функциональная схема которого содержит три идентичных канала калибровки в трех плоскостях X, Y, Z. Канал содержит обмотку, шунтированную переходом сток-исток полевого транзистора. Полевые транзисторы работают в режиме комплексных сопротивлений. На затворы транзисторов подается имитационный вибросигнал. Имитационный сигнал в одном из каналов подается через фазовращатель с диапазоном регулирования фазы относительно другого канала от O до π°.
Известное устройство позволяет расширить диапазон линейности его имитационной характеристики, однако устройство достаточно сложно и требует наличия дополнительного источника постоянного тока.
Ближайшим аналогом заявляемого устройства является известное устройство, описанное в статье Манохина А.Е. и Герасимова Н.Б. “Эквивалентный электрический метод определения амплитудно-частотной характеристики вихретоковых датчиков виброперемещения”, журнал “Измерительная техника”, 2000 г., №6, с.43-45.
Устройство содержит дополнительную катушку индуктивности, устанавливаемую перед измерительной обмоткой вихретокового датчика, которая работает в резонансном режиме. Дополнительная катушка охватывается магнитным потоком измерительной обмотки датчика. При этом дополнительная катушка шунтирована управляемым резистором, в качестве которого используют сопротивление полевого транзистора, напряжение на котором изменяют генератором по синусоидальному закону, что является имитацией вибрации. Изменение величины сопротивления изменяет величину вносимого эквивалентного сопротивления в измерительную обмотку датчика. При демодуляции сигнала, снимаемого с измерительной обмотки датчика, выделяется напряжение, эквивалентное величине зазора или амплитуде вибрации, и регистрируется соответствующим оборудованием.
К недостаткам известного устройства можно отнести необходимость использования дополнительного источника постоянного тока для питания электрической схемы с транзистором, недостаточную линейность имитационных характеристик, а также ограничение диапазона взаимодействия обмотки датчика и сопротивления полевого транзистора, определяемого сопротивлением перехода сток-исток (примерно 50 Ом).
Перед авторами заявляемой полезной модели стояла задача упростить устройство имитатора вихретоковых нагрузок, обеспечить линейность имитационных характеристик и снять ограничение диапазона взаимодействия обмотки датчика и катушки имитатора.
Поставленная задача была решена следующим образом.
В устройство имитации вихретоковых нагрузок, содержащее катушку индуктивности, шунтирующее сопротивление и управляющий генератор, введен конденсатор, образующий с катушкой индуктивности колебательный контур, а в качестве шунтирующего сопротивления использован диодный мост.
Сущность предлагаемого решения состоит в расширении диапазона взаимодействия индуктивности датчика и колебательного контура, что обеспечивает линейность характеристик имитатора в более широком диапазоне.
Электрическая схема устройства показана на чертеже, где
1
1 - индуктивная катушка L вихретокового датчика,
2
2 - колебательный контур, состоящий из индуктивности Lи емкости С,
3 - диодный мост D1-D4,
4 - генератор G сигналов.
2
2
Колебательный контур 2 настроен на частоту возбуждения датчика. Генератор 4 сигналов (например, типа 33220 фирмы AgilentTechnologies) имеет возможность генерировать низкочастотные синусоидальные сигналы с одновременной подачей напряжения смещения постоянного тока. Колебательный контур 2 (катушка L и конденсатор С) подсоединен параллельно к одной диагонали диодного моста 3, а генератор 4 - к другой диагонали моста 3. Катушка L конструктивно выполняется плоской, толщиной 1-2 мм, количество витков от 40 до 60, что позволяет разместить ее вплотную к торцу аттестуемого датчика. Для изменения диапазона измерений в цепь подключения генератора 4 к диодному мосту 3 могут быть подсоединены дополнительно различные радиоэлементы, например, резисторы.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
2
2
При отсутствии сигнала генератора 4 диодный мост имеет большое внутреннее сопротивление. Колебательный контур 2, настроенный в резонанс на частоте возбуждения вихретокового датчика, и измерительная обмотка 1 датчика представляют собой эквивалентную систему связанных контуров с наибольшей электромагнитной связью, когда индуктивность Lнаходится рядом с обмоткой 1 датчика. В этом случае индуктивность Lвносит наибольшую нагрузку в измерительную обмотку 1 датчика. Резонансная система контуров расстраивается и выходной сигнал становится минимальным, что эквивалентно минимальному зазору между вихретоковым датчиком и токопроводящим элементом. При подаче с генератора 4 напряжения смещения постоянного тока, например, -5 вольт в диагональ моста 3, диодный мост 3 будет иметь наименьшее внутреннее сопротивление на другой диагонали, шунтируя контур 2. Вносимое сопротивление в измерительный контур датчика становится минимальным и его выходной сигнал увеличивается, что эквивалентно максимальному зазору между датчиком и токопроводящим элементом.
Шунтирование колебательного контура 2 в предлагаемом устройстве является более эффективным в сравнении с шунтированием только индуктивности в аналогичных схемах имитаторов, что расширяет диапазон взаимодействия имитатора с обмоткой датчика. При последовательной подаче уровня напряжения в диапазоне от 0 до -5 вольт выходной сигнал будет изменяться от минимального до максимального значения, что эквивалентно прямо пропорциональному изменению зазора между датчиком и токопроводящим элементом. Таким образом определяют статическую характеристику вихретокового датчика.
При аттестации датчика подают от генератора 4 напряжение смещения сигнала, соответствующее выбранной величине зазора в рабочей точке, а затем подают синусоидальный сигнал, амплитуда которого соответствует эквивалентной величине виброперемещения в зазоре токопроводящего элемента. Изменяя амплитуду или частоту подаваемого сигнала, определяют амплитудно-частотные характеристики вихретоковых датчиков.
Технический эффект состоит в том, что использование заявляемого устройства позволяет упростить решение проблемы аттестации вихретоковых датчиков и отказаться от источника питания электрической схемы имитатора благодаря использованию диодного моста в качестве управляемого резистора. Кроме того, электрически управляемое заявленное устройство позволяет автоматизировать процесс измерения параметров вихретоковых датчиков и осуществить компьютерную обработку результатов их аттестации.