Имитатор вихретоковых нагрузок

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при аттестации вихретоковых датчиков контроля линейных перемещений и уровня вибрации роторных машин. Функциональная схема имитатора содержит три идентичных канала X, Y и Z калибровки. Каждый 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 канале Y подается на затвор транзистора через фазовращатель с диапазоном регулирования фазы относительно канала Х от 0 до π°. В результате работы полевых транзисторов в режиме комплексных сопротивлений расширяется диапазон линейности имитационной характеристики имитатора. Имитатор создает возможность калибровки амплитудно-частотной характеристики первичного вихретокового датчика в широком диапазоне величин вибрации и зазоров. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при аттестации вихретоковых датчиков контроля линейных перемещений и уровня вибрации роторных машин в энергетике, нефтегазовой промышленности и других областях. Известен класс вихретоковых датчиков [см. патенты RU № 2189585, 2002 г., № 2196960, 2003 г. - аналоги], у которых для расширения диапазона измерения и обеспечения линейности статической характеристики чувствительный элемент датчика выполнен из двух симметричных измерительных обмоток, включенных дифференциально, и обмотки возбуждения (ОВ), слои намоток которой чередуются со слоями измерительных обмоток. Выделение параметров вибропроцесса из регистрируемого сигнала датчика осуществляется блоком обработки. Общим недостатком вихретоковых датчиков являются ограничения по величине зазора между чувствительным элементом датчика, устанавливаемым неподвижно на станине, и вращающимся валом объекта измерений. В процессе аттестации системы измерений возникает необходимость контроля как статических параметров - величины зазора, смещения вдоль зазора, так и динамических параметров - амплитудно-частотных характеристик. Калибровку вибродатчиков осуществляют на вибростендах. Для вихретоковых датчиков такой метод неприемлем.

Базовая комплектация измерительных средств для аттестации вихретоковых датчиков, как правило, содержит несколько каналов калибровки:

- канал калибровки шкалы параметров вибропроцесса в плоскости X;

- канал калибровки шкалы параметров вибропроцесса в плоскости Y;

- канал калибровки осевых смещений в плоскости Z.

Для калибровки измерителя линейных перемещений обычно используют механизм юстировки с микрометрическим устройством. Механизм содержит скобу с двумя соосными отверстиями, в одном из которых установлен узел задания эталонного перемещения с подвижным стержнем, в другом - узел крепления калибруемого измерителя [см., например, а.с. СССР, № 1580152, G 01 B, 7/14, 1988 г. - аналог]. Недостатком аналога является нетехнологичность, связанная с разнородностью методов измерений в калибруемых каналах. Необходим также набор типоразмеров измерительных скоб для валов различного диаметра.

Вместе с тем известно, что чувствительный элемент вихретокового датчика в виде измерительной обмотки, расположенной вблизи проводящего экрана, представляет собой эквивалентную систему связанных контуров. Благодаря вихревым токам, текущим в проводящем экране, в измерительную у обмотку датчика вносится эквивалентное сопротивление, величина которого является функцией зазора между датчиком и экраном. Изменяя эквивалентное сопротивление, вносимое в измерительную обмотку датчика, имитируют изменение величины зазора.

Ближайшим аналогом к заявляемому устройству является "Эквивалентный электрический метод определения амплитудно-частотной характеристики вихретоковых датчиков виброперемещения". А.Е. Манохин, Н.Б. Герасимов, журнал "Измерительная техника", №6, 2000, с. 43-45. В способе ближайшего аналога фиг.2 перед измерительной обмоткой вихретокового датчика, работающей в резонансном режиме с индуктивностью L1, устанавливают дополнительную обмотку с индуктивностью L2, охватываемую магнитным потоком измерительной обмотки. Осуществляют шунтирование индуктивности L2 управляемым резистором, в качестве которого используют сопротивление полевого транзистора, напряжение на затворе которого изменяют по синусоидальному закону (по закону вибрации объекта). Изменение величины шунтирующего сопротивления обмотки L2 изменяет величину вносимого эквивалентного сопротивления в обмотку L1. При демодуляции сигнала, снимаемого с обмоток L1, последнее может интерпретироваться как изменение либо величины зазора, либо амплитуды вибрации.

Недостатком ближайшего аналога является ограничение по диапазону линейности имитационной характеристики, поскольку имитируется изменение только активных потерь в проводящем экране.

Задача, решаемая заявляемым техническим решением, состоит в унификации методов измерений в калибрационных каналах и расширении диапазона линейности имитационной характеристики.

Поставленная задача решается тем, что в имитаторе вихретоковых нагрузок, содержащем фунциональные каналы калибровки значений измеряемых величин, чувствительный элемент вихретокового датчика, взаимодействующий с эквивалентной нагрузкой в виде индуктивности с параллельно подключенным шунтирующим сопротвлением сток-исток полевого транзистора, на затвор которого подается имитационный вибросигнал дополнительно, функциональные каналы калибровки во всех трех плоскостях X, Y, Z выполнены идентичными, шунтирующий транзистор работает в режиме комплексного сопротивления, величина которого задается параметрами электронной схемы включения, а имитационный вибросигнал в канале Y подается на затвор транзистора через фазовращатель с диапазоном регулирования фазы относительно канала Х от 0 до π⁰.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - эквивалентная схема имитатора из трех идентичных каналов калибровки в плоскостях X, Y, Z;

фиг.2 - эквивалентная схема канала имитатора из вносимых реактивных и активных сопротивлений;

фиг.3 - сравнительная имитационная характеристика заявляемого устройства и ближайшего аналога.

Функциональная схема имитатора фиг.1 содержит три канала X, Y, Z калибровки значений измеряемых величин, каждый из которых включает чувствительный элемент вихретокового датчика L1, взаимодействующий магнитным потоком с индуктивностью L2 и возбуждаемый от генератора Г3 посредством обмотки возбуждения ОВ. Параллельно L2 подключен рективно-активный транзистор Т4, комплексное сопротивление которого задает фазосдвигающая цепочка Z5, Z6. Рабочая точка на характеристике транзистора Т4 определяется постоянным напряжением смещения на его затворе, подаваемым через сопротивление R7 от источника опорного напряжения U8. Имитационный сигнал от генератора Г9 в канале Х подается на затвор Т4 через сопротивление регулировки амплитуды R10, в канале Y через фазовращатель Ф11. Регулирование фазы имитационного сигнала в канале Y от 0 до π° осуществляется сопротивлением R12. В канале Z регулировку обеспечивает сопротивление R7.

Динамика взаимодействия элементов схемы фиг.1 состоит в следующем. Чувствительный элемент вихретокового датчика, расположенный вблизи проводящего экрана, представляется эквивалентной системой индуктивно связанных контуров, фиг.2. Импеданс первичной цепи (чувствительного элемента) изменяется из-за связи со вторичной цепью. Присутствие проводящего экрана вблизи L1 уменьшает ее индуктивность Ll_экв=Ll-L_вн=L1(1-k²) и увеличивает активное сопротивление (потери на вихревые токи) R_экв=R1+R_вн=R1+k²(L1/L2)R2. [см., например, ближайший аналог], где k коэффициент связи между чувствительным элементом и проводящим экраном, зависящий от величины зазора (h) М - взаимная индуктивность.

Из приведенных соотношений следует, что изменяя величины L2, R2 достигают изменения Z_вн(L_вн и R_вн) в первичный контур, т.е., осуществляют имитацию внесения образца контроля в зону чувствительного элемента вихретокового датчика. Линейность имитационной характеристики определяется соотношениями между параметрами: L2, R2, k, а также параметрами электронной схемы Z5, Z6 включения Т4. Очевидно, что перечисленные параметры определяются режимом работы транзистора Т4. Поскольку для обеспечения линейности имитационной характеристики должны одновременно изменяться L2, R2, то эквивалентное сопротивление цепи сток-исток Т4 должно носить комплексный характер. Реактивный (комплексный) характер эквивалентного сопротивления транзистора создается благодаря подаче на затвор напряжения через цепочку Z5, Z6, сдвигающую напряжение на затворе относительно U стока на некоторый угол <π/2. Для этого необходимо, чтобы одно из сопротивлений Z5 было чисто реактивным, а Z6 чисто активным. Подобный режим работы электронных приборов широко используется в технике модуляции [см., например, "Справочник по радиоэлектронике" под редакцией А.А.Куликовского, том 2. М.: Энергия, 1968, с.50, Модуляция с помощью ламп-реактивностей, рис. 12-78. Реактивная лампа].

Изменение комплексного сопротивления Т4 преобразуется электронной схемой в выходной сигнал датчика, пропорциональный изменению расстояния от чувствительного элемента датчика до объекта контроля. Если при этом на затвор Т4 подавать имитационный сигнал, изменяемый по закону вибрации U_msinΩt, то эквивалентное сопротивление первичного контура будет изменяться по закону Z1=Z₀+ΔZsinΩt, где ΔZ - девиация вносимого сопротивления. Таким образом, изменяя смещение на затворе полевого транзистора Т4, имитируют изменение зазора между чувствительным элементом датчика и объектом, а подачей переменного (вибрационного) сигнала на затвор имитируют вибрацию объекта. Тем самым создают возможность калибровки амплитудно-частотной характеристики первичного датчика в широком диапазоне вибрации и величин зазоров.

Поскольку вибрационные биения валов роторов, как правило, имеют осевую асимметрию, предусмотрено изменение фазы имитационноговибросигнала в канале Y относительно канала X. во всем возможном диапазоне асимметрии валов (износа подшипников) от 0 до π° посредством фазовращателя Ф11 от регулировочного сопротивления R12. Добротность вторичного контура L2-T4 определяется соотношением реактивного ρ и активного r сопротивлений Q=ρ/r. Шунтирование обмотки L2 чисто активным r_а сопротивлением цепи сток-исток, как это использовано в ближайшем аналоге, снижает добротность Q, эквивалентное сопротивление и, как следствие, уменьшает диапазон линейности имитационной характеристики. На фиг.3 иллюстрированы имитационные характеристики заявленного устройства и ближайшего аналога. Использование режима комплексного сопротивления Т4 позволяет обеспечить более высокое качество вторичного контура Q и расширяет диапазон линейности имитационной характеристики. Имитатор вихретоковых нагрузок может быть выполнен на существующей элементной базе по типовым электронным схемам включения элементов: генератор Г2 типа Г6-40, транзистор Т4 типа 2П302Б, генератор опорного напряжения Г9 типа Б5-70, фазовращатель Ф11 (см., например, У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника, пер. с немецкого. М.: Мир, 1982, с.221-222, рис.13-34). Использование заявляемого устройства позволяет решить проблему калибровки вихретоковых датчиков.

Формула изобретения

Имитатор вихретоковых нагрузок, содержащий функциональные каналы калибровки значений измеряемых величин, чувствительный элемент вихретокового датчика, взаимодействующий с эквивалентной нагрузкой в виде индуктивности с параллельно подключенным шунтирующим сопротивлением сток-исток полевого транзистора, на затвор которого подается имитационный вибросигнал, отличающийся тем, что функциональные каналы калибровки во всех трех плоскостях X, Y, Z выполнены идентичными, шунтирующий транзистор работает в режиме комплексного сопротивления, величина которого задается параметрами электронной схемы его включения, а имитационный вибросигнал в канале Y подается на затвор транзистора через фазовращатель с диапазоном регулирования фазы относительно канала Х от 0 до π°.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3