Вихретоковый измеритель

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля вращения движущихся металлических частей роторных машин в энергетике, турбонасосных агрегатов в нефтегазовой промышленности и других областях.

Известен измеритель скорости вращения, содержащий датчик с элементом Холла, выход которого через усилитель подключен к индикатору, постоянный магнит, магнитное поле которого связано с элементом Холла через контролируемый объект (см. Маргелов А. «Датчики положения на эффекте Холла», журнал «Электронные компоненты», №8, 2004, стр. 63-64). Изменение положения контролируемого объекта относительно элемента Холла приводит к изменению величины магнитного поля у элемента Холла, что индицируется индикатором.

Недостатками данного устройства являются ограниченные функциональные возможности измерителя и наличие постоянного магнита, который заметно усложняет конструкцию измерителя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является измеритель, содержащий вихретоковый датчик, генератор переменного напряжения, к выходу которого через соединительный кабель подключен колебательный контур, в качестве индуктивности которого используется обмотка вихретокового датчика, последовательно соединенные детектор, подключенный к колебательному контуру, и индикатор (см. патент РФ №2189585, G01N 27/90, от 20.09.2002 г.). Рабочая частота генератора настроена на резонансную частоту колебательного контура, образованного параллельным включением катушки индуктивности вихретокового датчика и входного конденсатора. Приближение металлического объекта к обмотке вихретокового датчика приводит к расстройке и увеличению потерь в колебательном контуре и, как следствие, уменьшению переменного напряжения на нем.

Недостатками данного устройства являются ограниченные функциональные возможности измерителя.

Задача, решаемая изобретением, заключается в расширении функциональных возможностей устройства, путем измерения, как скорости, так и направления вращения вала роторной машины.

Ожидаемый технический эффект достигается тем, что в вихретоковый измеритель, содержащий вихретоковый датчик, обмотка возбуждения которого подключена через соединительный кабель к выходу автогенератора и входу выпрямителя, выход которого через формирователь импульсов подключен к индикатору скорости, введена однотипная дополнительная обмотка, которая подключена через соединительный кабель к выходу дополнительного автогенератора и входу дополнительного выпрямителя, выход которого через дополнительный формирователь импульсов подключен к первому входу логической схемы и первому входу элемента ИЛИ, второй вход логической схемы соединен с выходом первого формирователя импульсов, третий вход логической схемы соединен с выходом элемента ИЛИ, а выход логической схемы подключен к дополнительному индикатору, кроме того, дополнительная обмотка возбуждения установлена в одной плоскости рядом с основной обмоткой на расстоянии (0,5-1) D, где D - диаметр основной и дополнительной обмоток возбуждения, при этом, диаметр измерительной метки на валу равен или больше (2,5-3)D.

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на рисунке фиг. 1, пример исполнения вихретокового датчика - на рисунке фиг. 2.

Вихретоковый измеритель скорости и направления вращения вала содержит вихретоковый датчик 1, две однотипные обмотки возбуждения 2 и 3, которые подключены через соединительный кабель 4 к соответствующим выходам автогенераторов 5 и 6 и соответствующим входам выпрямителей 7 и 8, выходы которых соединены с соответствующими входами формирователей импульсов 9 и 10. Выход формирователя 9 подключен к индикатору скорости 11, первому входу элемента ИЛИ 12 и первому входу логической схемы 13. Выход формирователя импульсов 10 подключен к второму входу элемента ИЛИ 12 и второму входу логической схемы 13, выход которой соединен с индикатором направления вращения 14. Выход элемента ИЛИ 12 подключен к третьему входу логической схемы 13.

Обмотки возбуждения 2 и 3 одинаковы и установлены в корпусе датчика 1 в одной плоскости рядом на расстоянии (0,5-l,0)D, где D - диаметр обмоток 2 и 3, и образуют чувствительные зоны датчика 1. При этом на контролируемом валу 15 установлена измерительная метка 16, равная (2,5-3)D.

Чувствительные зоны вихретокового датчика 1 установлены у контролируемого металлического вала 15 на расстоянии h, обеспечивающим разную электромагнитную связь с валом 15 и измерительной меткой 16 (см. фиг. 1).

Устройство работает следующим образом.

При подаче питания на вихретоковый измеритель скорости и направления вращения высокочастотные генераторы 5 и 6 возбуждаются на резонансных частотах колебательных контуров, образованных индуктивностями обмоток 2 и 3 датчика 1 и емкостью соединительного кабеля 4, и на обмотках 2 и 3 вихретокового датчика 1 возникают переменные напряжения Uh₂ и Uh₃ с частотой около 1 МГц. Амплитуда высокочастотного напряжения на обмотках 2 и 3 датчика 1 зависит от расстояния h до контролируемого объекта 15 и измерительной метки 16. Изменение (уменьшение) расстояния h между контролируемым объектом 15 и обмотками 2 и 3 (чувствительными зонами) датчика 1 приводит к изменению (увеличению) демпфирования обмоток 2 и 3 датчика 1 и пропорциональному изменению (уменьшению) амплитуды колебаний на входах выпрямителей 7 и 8.

В исходном состоянии при выполнении измерительной метки 16 в виде углубления на валу 15, как показано на рисунке фиг. 1, чувствительная зона датчика 1 устанавливается относительно поверхности вала 15 на расстоянии h при котором переменные напряжения Uh₂ и Uh₃ минимальны. Датчик устанавливается таким образом, чтобы при вращении вала измерительная метка поочередно проходила обмотки 2 и 3 датчика 1. Тогда, когда вал 15 будет вращаться, при прохождении измерительной метки 16 переменные напряжения Uh₂ и Uh₃ будут максимальны. Переменные напряжения Uh₂ и Uh₃, после выпрямления выпрямителями 7 и 8 поступают на соответствующие входы формирователей импульсов 9 и 10, где формируются одинаковые по амплитуде импульсы напряжения, сдвинутые друг относительно друга на время Δt=(0,5-1)D/D_B*1/ω, где D_В - диаметр вала 15, ω - частота вращения вала 15. Импульсы напряжения U9, U10 будут формироваться при каждом обороте вала 15 при прохождении измерительной метки 16. Импульсы напряжения U9, U10 поступают на входы элемента ИЛИ 12 и соответствующие входы логической схемы 13. Кроме того, импульсы напряжения U9 поступают на индикатор 11, который регистрирует их количество в единицу времени (скорость вращения) в цифровом или аналоговом виде.

Логический элемент ИЛИ 12 и логическая схема 13 выделяют приоритет прохождения импульса напряжения U9 или U10 в зависимости от направления вращения вала 15. Например, при вращении вала 15 по часовой стрелке, на выходе логической схемы 13 вырабатывается логическая единица (высокий уровень напряжения), а при вращении вала против часовой стрелки, логическая схема 13 вырабатывает логический ноль (низкий уровень напряжения), который регистрируется индикатором 14.

В реальной конструкции датчика 1 использованы обмотки 2 и 3 диаметром 4-6 мм, которые содержат по 40-100 витков. При этом диаметр корпуса датчика составил 18-20 мм.

Введение и соответствующее подключение новых элементов в вихретоковый измеритель обеспечивает расширение его функциональных возможностей за счет индикации направления вращения вала силовых роторных машин и турбонасосных агрегатов. Кроме того, наличие сдвоенного вихретокового датчика и дополнительного канала измерений позволяет измерять как большую (рабочую) скорость вращения ротора, так и малую скорость вращения ротора при проведении профилактических работ на турбине.