СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области создания средств и методов бесконтактных измерений изменений зазоров между измерительным преобразователем и контролируемой поверхностью, которые в дальнейшем используются для определения относительных перемещений элементов машин и механизмов в динамических режимах работы.

Известен способ измерения толщины плакировки зазора между измерительным преобразователем вихретокового типа и контролируемой поверхностью с итерационно-тестовой коррекцией погрешности [Герасимов В.Г. и др. «Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий», М.: Энергоатомиздат, 1983 г., 256 с.].

Сущность способа состоит в том, что выполняют опорное измерение при начальном значении зазора между измерительным преобразователем и контролируемой областью объекта контроля, запоминают результаты измерения с последующим изменением зазора в сторону его увеличения на фиксированную образцовую величину путем размещения между измерительным преобразователем и контролируемой областью объекта (без воздушного зазора) специального элемента с заранее измеренной эталонной толщиной, выполняют дополнительное измерение, вычисляют расчетные значения толщины плакировки на основе результатов опорного и дополнительного измерений и принятой величины начального зазора.

Недостатком данного способа является то, что измерение зазора в данном способе осуществляют путем размещения без воздушного зазора между измерительным преобразователем и контролируемой областью объекта специального элемента эталонной толщины, что сужает область применения указанного способа в промышленности. Так, например, измерение зазора между измерительным преобразователем и подвижным объектом становится невозможным.

Известен способ измерения зазора между измерительным преобразователем и контролируемой поверхностью в динамическом режимах [патент РФ №2327104, G01B 7/14, опубликован 20.06.2008 г.]. Сущность способа состоит в следующем. При использовании бесконтактного измерительного устройства (например, с вихретоковым преобразователем), градуировочная характеристика которого выполнена линейной, зависимость выходного параметра от измеряемой величины записывают в виде выражения

где y - выходной параметр измерительного устройства на i-ой градуировочной характеристике, м;

x - измеряемый зазор между измерительным преобразователем измерительного устройства и контролируемой областью объекта контроля, м;

a_1i, a_2i - параметры i-ой градуировочной характеристики.

При надлежащих установке измерительного преобразователя относительно измеряемого объекта и настройке измерительного устройства может быть принято допущение

Тогда уравнение (1) преобразуют к виду

Из данного выражения следует, что выходной параметр измерительного устройства пропорционален не только измеряемому зазору x, но и параметру a_2i i-ой градуировочной характеристики, являющемуся, по существу, коэффициентом усиления измерительного тракта, который в общем случае зависит от многих параметров, в том числе от внешних воздействий на объект измерения и элементы измерительного устройства.

Поэтому целесообразно осуществлять коррекцию параметра a_2i в процессе измерений, что позволяет повышать точность измерений. Это может быть выполнено, например, путем проведения опорного измерения и дополнительного измерения при увеличенном на образцовую величину зазоре. При этом получают систему двух уравнений с одинаковым параметром a_2i, поскольку измерения проводят на одном объекте при идентичных возмущающих воздействиях, влияющих на указанный параметр

где δ₀ - образцовая величина изменения зазора, м.

Решение системы (4) имеет следующий вид

Из выражения (5) следует, что расчетное значение зазора не зависит от указанной выше нестабильности параметра a_2i. При этом обеспечивается повышение точности измерений. В случае уменьшения зазора на образцовую величину систему исходных уравнений записывают аналогично системе (4)

Решение данной системы имеет вид

Таким образом, выражения (5) и (7) обеспечивают достаточно простую корректировку параметра a_2i линейной градуировочной характеристики измерительного устройства при любом направлении изменения зазора, что позволяет существенно снизить отрицательное влияние ряда факторов на результат измерения и повысить его точность.

Недостатком данного способа является необходимость образцового изменения зазора, что часто бывает невозможным, если первичный преобразователь стоит в труднодоступном месте (например, внутри работающего механизма).

Известен способ измерения расстояния до электропроводящего объекта с использованием бесконтактного измерительного устройства с первичным измерительным преобразователем (например, индуктивного или вихретокового типа) [Бромберг Э.М., Куликовский К.Л., «Тестовые методы повышения точности измерений», М.: Энергия, 1978 г., 150-152 с.], заключающийся в том, что используют бесконтактное измерительное устройство с первичным измерительным преобразователем, чувствительные элементы которого, электрически независимые друг от друга, устанавливают на одной базе со смещением θ в направлении объекта контроля, по показаниям измерительного устройства рассчитывают значение перемещения объекта контроля относительно измерительного устройства.

В известном способе результат измерения не зависит от коэффициента преобразования измерительного тракта и параметров контролируемого объекта (проводимость, геометрия и др.), а определяется только стабильностью и точностью определения смещения θ, значение которой определяется при градуировке прибора.

Недостатком данного способа является недостаточная точность, получаемая в реальных условиях применения, при которых имеются отклонения характеристик чувствительных элементов измерительного устройства друг от друга, что приводит к отклонению статических характеристик преобразования и к увеличению погрешности измерения. Так же данный способ не используется в труднодоступных местах.

Данный способ принимается за прототип как наиболее близкий к заявляемому.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерения нестационарных перемещений электропроводящих объектов с различной проводимостью и конфигурацией в труднодоступных местах при переменных внешних климатических условиях.

Указанный технический результат достигается тем, что способ измерения нестационарных перемещений электропроводящих объектов заключается в том, что используют бесконтактное измерительное устройство с первичным измерительным преобразователем, чувствительные элементы которого, электрически независимые друг от друга, устанавливают на одной базе со смещением θ в направлении объекта контроля, по показаниям измерительного устройства рассчитывают значение перемещения объекта контроля относительно измерительного устройства, согласно изобретению смещение θ между чувствительными элементами заменяют на эквивалентное расстояние h_э между ними, оптимальное значение которого рассчитывают при градуировке измерительного устройства по формуле:

где h_эj - эквивалентное расстояние при j-ом значении воспроизводимого зазора;

x_k, x_j, x_k+1 - k-ый, j-ый, (k+1)-ый воспроизводимый зазор;

k - порядковый номер воспроизводимого зазора, для которого выполняется условие: U_1k<U_2j≤U_1(k+1);

j=0, …, М - порядковый номер воспроизводимого зазора;

K_U - корректирующий коэффициент;

U_1k, U_1(k+1) (U_2j) - напряжение первого(второго) чувствительного элемента, при k-ом, (k+1)-ом (j-ом) измерении соответственно, полученные значения эквивалентного расстояния h_эj линейно аппроксимируют согласно выражению:

,

где - значение аппроксимирующей функции h_эj;

a - тангенс угла наклона аппроксимирующей прямой;

х - воспроизводимый зазор;

h₀ - оптимальное значение эквивалентного расстояния, при этом подбирают значение корректирующего коэффициента K_U, при котором a=0, а эквивалентное расстояние h_э оптимально, выполняют N измерений напряжения чувствительных элементов, вычисляют скорректированное значение напряжения второго чувствительного элемента по формуле:

где U_2i - измеренное напряжение второго чувствительного элемента;

i=1…N - порядковый номер измерения;

K_U - корректирующий коэффициент, вычисляют i-ые приращения перемещения ΔS_i, по формуле:

где i=1…N - порядковый номер измерения напряжения;

U_1i и U_1(i-1) - значения напряжений первого чувствительного элемента при i-ом и (i-1)-ом измерении;

и - скорректированные значения напряжений второго чувствительного элемента при i-ом и (i-1)-ом измерении;

h_э - эквивалентное расстояние, а полное перемещение S объекта контроля относительно измерительного устройства определяют по формуле:

где i=1…N - порядковый номер измерения напряжения;

ΔS_i - приращение перемещения.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».

Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Изобретение иллюстрируется чертежами:

на фиг.1 представлен график статических характеристики преобразования чувствительных элементов для идеального случая;

фиг.2 - график статических характеристик преобразования чувствительных элементов (выполненных идентично);

фиг.3 - график статических характеристик преобразования чувствительных элементов в случае неидентичности параметров чувствительных элементов;

фиг.4 - схема устройства, реализующего заявляемый способ;

фиг.5 - схема расположения чувствительных элементов вихретокового первичного преобразователя.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом

Для измерения перемещения объекта контроля относительно измерительного устройства используют бесконтактное измерительное устройство (например, вихретоковое) с двумя идентичными чувствительными элементами, находящимися на одной оси со смещением θ друг относительно друга. Статические характеристики преобразования чувствительных элементов описывают функциями:

Пусть в момент времени t₀ зазор между чувствительными элементами первичного преобразователя и объектом контроля равняется х₀, а в момент времени t₁ - соответственно x₁ (фиг.1).

Тогда перемещение ΔS за промежуток времени (t₁-t₀) равно:

Используя линейную аппроксимацию функций Y₁ и Y₂ на участке x₀…x₁ и принимая во внимание, что

Y₂(x₀)=U₂₀; Y₂(x₁)=U₂₁

получают две системы уравнений:

Для полученных систем, выполнив вычитание первого уравнения из третьего, получают:

Далее, выполнив вычитание первого уравнения из второго с учетом выражений (11), получают:

где ΔS₁ (ΔS₂) - перемещение, рассчитанное по функции Y₁ (Y₂).

Выполняют усреднение ΔS полученных данных:

Т.к. значение смещения θ между плоскостями чувствительных элементов не всегда возможно измерить с достаточной точностью (например, для плоских дисковых катушек, склеенных между собой), то вводят понятие эквивалентного расстояния h_э, которое определяют расчетным путем с использованием статических характеристик преобразования чувствительных элементов при градуировке измерительного устройства.

Согласно графикам, представленным на фиг.2, эквивалентное расстояние h_э равно разности x₃ и x₀. На участке x₁…х₂ реальную характеристику функции Y₁=f(х) заменяют ее кусочно-линейной аппроксимацией:

Подставив в уравнение (14) Y₁=U₂₀, определяют зазор х₃, а следовательно, и эквивалентное расстояние h_э=x₃-x₀.

В реальных условиях применения имеются отклонения характеристик чувствительных элементов измерительного устройства друг от друга, что приводит к отклонению статических характеристик преобразования от представленных на фиг.2 и к увеличению погрешности измерения. Поэтому для учета неидентичности чувствительных элементов вводят корректирующий коэффициент K_U и подбирают такое его значение, умножение на которое статической характеристики преобразования одного из чувствительных элементов (например, второго) максимальным образом приблизило бы ее к положению, показанному на фиг.2 (фиг.3).

Эквивалентное расстояние h_э и корректирующий коэффициент K_U вычисляют при градуировке измерительного устройства в следующей последовательности:

1) чувствительные элементы измерительного устройства устанавливают в устройство воспроизведения перемещений (УВП);

2) между чувствительными элементами и экраном УВП последовательно воспроизводят зазоры x_j (где j=0,…, М - порядковый номер воспроизводимого зазора), при этом осуществляют измерения напряжений на выходе измерительного устройства (U_1j - для первого и U_2j - для второго чувствительного элемента);

3) приняв K_U=1, по полученным значениям U_1j и U_2j вычисляют значения эквивалентного расстояния по формуле:

где k - порядковый номер воспроизведенного зазора x, для которого выполняется условие

4) выполняют линейную аппроксимацию полученных значений :

5) изменяя значение K_U, добиваются равенства нулю коэффициента a, при этом эквивалентное расстояние будет равно оптимальному значению h₀.

Определение перемещений по заявляемому способу осуществляют согласно алгоритму:

1) выполняют N измерений напряжения на выходе измерительного устройства (U_1i - для первого и U_2i - для второго чувствительного элемента, где i=0…N - порядковый номер измерения) при перемещении электропроводящего объекта в рабочем диапазоне в интересующий промежуток времени;

2) вычисляют скорректированные значения напряжения по формуле:

3) по полученным значениям U_1i и вычисляют i-ые приращения перемещений по формуле:

где h_э - эквивалентное расстояние;

4) вычисляют полное перемещение S:

Сущность заявленного способа измерения может быть пояснена с помощью бесконтактного прибора вихретокового типа для измерения перемещения токопроводящего объекта контроля.

Устройство состоит из вихретокового первичного преобразователя (ВТПП) 1, содержащего две тонкие дисковые катушки индуктивности 2 и 3, установленные соосно и смещенные одна относительно другой на нормированное эквивалентное расстояние h_э вдоль оси, проходящей по нормали через центр дисковой катушки к контролируемому объекту; информационно-преобразующий блок 4, содержащий высокочастотный генератор 5, два ограничительных резистора 6 и 7, два измерительно-преобразующих устройства 8 и 9, каждое из которых состоит из усилителя 10, демодулятора 11, фильтра нижних частот 12 и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 13; вычислительно-регистрирующего устройства 14 (фиг.4).

Каждая катушка индуктивности выполнена 8-образной (фиг.5). Оси симметрии 8-образных катушек взаимно перпендикулярны, что важно для снижения электромагнитной связи между первой и второй катушками до уровня, обеспечивающего практическую независимость сигналов каждой из них друг от друга.

Работа устройства заключается в следующем: катушки 2 и 3 ВТПП 1 запитываются переменным током от высокочастотного генератора 5 через ограничительные резисторы 6 и 7, сопротивление которых более чем в двадцать раз превышает значение импеданса катушки индуктивности, при отсутствии проводящих объектов в зоне ее чувствительности. Напряжение с катушек 2 и 3 поступает на измерительно-согласующие устройства 8 и 9 соответственно. Напряжение с выхода измерительно-согласующих устройств 8 и 9 преобразуется аналого-цифровым преобразователем 13 в код и передается в вычислительно-регистрирующее устройство 14, где осуществляется вычисление перемещений по алгоритму, изложенному выше.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

- способ, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для использования в промышленности, а именно, в области создания средств и методов бесконтактных измерений изменений зазоров (перемещений) между поверхностями элементов машин и механизмов в динамических режимах работы;

- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;

- способ, воплощающий заявленное изобретение при осуществлении, повышает точность измерения нестационарных перемещений электропроводящих объектов с различной проводимостью и конфигурацией в труднодоступных местах при переменных внешних климатических условиях.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».