автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и исследование устройств контроля механических параметров вращающихся валов на базе электромагнитных датчиков

На правах рукописи

003053705

Батырев Юрий Павлович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВРАЩАЮЩИХСЯ ВАЛОВ НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ДАТЧИКОВ

Специальность 05.13.05 - «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003053705

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Полуэктов Николай Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Котов Юрий Терентьевич;

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Кулеш Владимир Петрович.

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное объединение измерительной техники»

Защита диссертации состоится "¿I " M^bj)^^- 2007 года, в 14 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.146.04 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса» по адресу: 141005, Мытищи-5, Московская обл., ул. 1-я Институтская, д. 1, МГУЛ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУЛ.

Автореферат разослан » ЛшЩ/) у 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доце£

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Электромагнитные (вихретоковые) датчики находят широкое применение в системах управления работой различных агрегатов. В частности, вихретоковый метод - один из эффективных и надежных методов при контроле и диагностике состояния вращающихся валов различных установок. С помощью вихретоковых датчиков обеспечивают измерение относительной вибрации, числа оборотов, искривление, а также тепловые расширения вала ротора.

Принцип работы вихретокового датчика основан на явлении электромагнитной индукции. Переменное электромагнитное поле, созданное катушкой датчика, создает вихревые токи в металлическом объекте, которые воздействуют на поле возбуждающей катушки и изменяют ее индуктивность. Это вызывает изменение параметров колебательного контура (амплитуды, частоты, фазы), в который входит катушка датчика. Регистрация изменения этих параметров позволяет определить свойства предмета и его положение относительно датчика.

Большой вклад в разработку вопросов теории вихретокового контроля внесли труды российских ученых: Герасимова В.Г., Гончарова В.В., Дорофеева А.Л., Клюева В.В., Покровского А.Д., Сандовского В.А., Соболева В.С, Сухорукова В.В., Федосенко Ю.К., Шатерникова В.Е., Шкарлета Ю.М, и др.

Несмотря на достаточно широкий выбор вихретоковых датчиков на рынке, продолжаются работы и исследования, направленные на совершенствование их характеристик - расширение диапазона измерения при сохранении геометрии датчика, уменьшение нелинейности выходной характеристики, уменьшение температурной зависимости, повышение надежности конструкции датчика. Наряду с совершенствованием технических характеристик датчиков, основным направлением становится их интеллектуализация, т.е. проведение непосредственно в самом датчике предварительной обработки информации с выделением интересующего параметра, компенсации влияния дестабилизирующих факторов, выполнения функций самодиагностики и калибровки и выдачу обработанной информации в реальном масштабе времени в систему управления. Направление к интеллектуализации измерительных преобразователей уже привело к выработке международных стандартов для производства таких датчиков и способов передачи информации.

Для наиболее ответственного и уникального оборудования, каким являются турбины электростанций стоимостью сотни миллионов рублей, используются стационарные системы контроля и диагностики, которые позволяют вести контроль состояния агрегатов непрерывно. Структурно

такая система представляет собой измерительный и программный комплекс, состоящий из набора датчиков различных физических параметров, устройств сопряжения, контроллеров, программного обеспечения мониторинга и диагностики.

Дальнейшее совершенствование систем контроля и диагностики во многом будет определяться достижениями в области разработки первичных преобразователей с улучшенными эксплуатационными характеристиками и внедрением цифровых методов, как управления режимами их работы, так и последующей обработки информации.

Цель работы и задачи исследования

Целью данной работы является разработка и исследование устройств контроля механических перемещений элементов конструкций установок роторного типа на базе электромагнитных датчиков, находящихся в условиях воздействия агрессивных сред с широким интервалом температур и давлений с улучшенными метрологическими характеристиками.

В соответствие с целью работы были сформулированы следующие задачи исследований:

1. Исследование влияния геометрических параметров обмоток вихретоковых датчиков, изготовленных по различным технологиям на чувствительность, диапазон измерения перемещений и линейность градуировочной характеристики.

2. Исследование схем возбуждения и обработки сигналов вихретоковых датчиков различных конструкций на чувствительность, линейность и диапазон измеряемых перемещений в условиях воздействия повышенных температур.

3. Поиск путей снижения температурной погрешности вихретоковых датчиков. Исследование методов компенсации температурной погрешности. Разработка датчиков перемещения с расширенным температурным диапазоном работы.

4. Разработка структурной схемы и алгоритма работы цифрового устройства обработки сигналов вихретокового датчика.

5. Разработка схем и алгоритмов работы блоков вторичной обработки сигналов электромагнитных датчиков на основе микропроцессорной техники.

6. Исследование и создание электрического стенда - имитатора вихретоковых нагрузок для проверки работоспособности, настройки и калибровки вихретоковых датчиков.

Новизна исследований и научных результатов

1. Разработан метод обработки выходного сигнала вихретокового датчика, позволяющий расширить диапазон измерения перемещений, подтвержденный экспериментальными исследованиями на датчиках различных конструкций и технологий изготовления.

2. Разработан метод снижения температурной погрешности вихретокового датчика, основанный на использовании низкодобротноь катушки из проволоки с малым температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) в схеме релаксационного генератора.

3. Разработаны методика и алгоритм компенсации температурной погрешности, позволившие создать датчик линейных перемещений с рабочим диапазоном до 300 °С и погрешностью не более 2,5 %.

4. Разработано устройство калибровки вихретоковых датчиков на основе электронного имитатора вихретоковых нагрузок.

Достоверность научных результатов подтверждается повторяемостью результатов при многократных измерениях, совпадением результатов измерений с теоретическими расчетами и результатами моделирования с помощью программ \lathcad и МиШвип, практической реализацией датчиков и измерительных систем в целом.

Практическая значимость работы

Проведенные в работе исследования позволили выявить зависимости влияния геометрических параметров и технологий изготовления на характеристики вихретоковых датчиков, а также особенности схемотехнических решений устройств их возбуждения и выделения полезного сигнала для контроля перемещений объектов, находящихся в сложных условиях эксплуатации.

Разработанный метод выделения сигнала позволил увеличить диапазон измеряемого перемещения вихретокового датчика.

Разработанные методика и алгоритм компенсации температурной погрешности позволили создать датчик линейных перемещений с рабочим диапазоном до 300 °С.

Разработанный имитатор вихретоковых нагрузок, позволяет проводить настройку и калибровку измерительных каналов вихретоковых датчиков без механических стендов.

Полученные результаты были использованы при создании аппаратуры СВКА 01 - 02.06, серийно выпускаемой НПО ИТ. Данная аппаратура применяется для непрерывного мониторинга механических параметров турбинных агрегатов Сургутской ГРЭС-2, Березовской ГРЭС, газоперекачивающих станций Мострансгаза.

На защиту выносятся:

1. Метод обработки выходного сигнала вихретокового датчика, позволяющий расширить диапазон измерения перемещений.

2. Метод снижения температурной погрешности вихретокового датчика, основанный на использовании низкодобротной катушки из проволоки с малым ТКС в схеме релаксационного генератора.

3. Методика и алгоритм компенсации температурной погрешности, датчика линейных перемещений с рабочим диапазоном до 300 °С.

4. Устройство калибровки вихретоковых датчиков на основе электронного имитатора вихретоковых нагрузок.

Апробация работы:

Результаты работы докладывались на научных конференциях МГУЛ в 1998 - 2005 годах, на международной конференции "СЕНСОР 2000" 2123 июня 2000 г., г. Санкт-Петербург, на международной конференции "Математические и физические методы в экологии и мониторинге природной среды", 23-25 окт. 2001 г., г. Москва.

Работа выполнялась в рамках НИР - "Интеллектуальный канал контроля механических параметров движения", программы Министерства образования РФ: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма - Производственные технологии.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 17 печатных работах, получены 2 патента на изобретение.

Реализация и внедрение результатов диссертации

Полученные результаты исследований различных конструкций электромагнитных датчиков и устройств их возбуждения легли в основу создания промышленных датчиков ДБ, ДП и ДПЛ. Разработанные методика и алгоритм позволили создать высокотемпературные датчики линейных перемещений, выпускаемые НПО ИТ. Алгоритмы обработки сигналов вихретоковых датчиков были использованы при создании блоков контроля ОС, ИВ, ОВ, ТХ, ТР аппаратуры СВКА 01 - 02.06, позволяющей осуществлять непрерывный мониторинг состояния различных турбоагрегатов. Разработанный имитатор вихретоковых нагрузок позволил упростить калибровку и проверку динамических характеристик вихретоковых датчиков.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Общий объем диссертации - 172 страницы, включающий 106 рисунков и 18 таблиц. Список литературы содержит 77 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, практическая значимость исследований, сформулированы основные цели и задачи работы.

На рис. 1 показан вариант аппаратуры контроля механических параметров на примере агрегата Сургутской ГРЭС-2 и установочные места расположения датчиков на турбогенераторе. Аппаратура обеспечивает контроль таких параметров как:

• осевой сдвиг вала ротора в диапазоне - 1,5 / + 2,2 мм;

• искривление вала ротора в диапазоне 0.. .500 мкм;

• виброперемещение вала ротора в диапазоне 0...500 мкм в 4-х поддиапазонах;

• линейное (осевое) расширение вала ротора в диапазонах - 4 / + 5 мм, - 4/ + 7 мм, - 3 /+ 15 мм, - 3 / + 23 мм, - 4 /+ 32 мм;

• тепловое расширение корпуса турбины в диапазоне 0...60 мм;

• частоту вращения вала ротора в диапазоне 0...4000 об/мин.

Рис. I Структурная схема аппаратуры контроля механических параметров вала

турбогенератора

Исходя из представленной схемы видно, что для контроля механических параметров энергоустановки необходим комплекс датчиков, охватывающих разные диапазоны измерения, исследование и создание которых и является целью данной работы.

В первой глазе приведён обзор литературы, посвященной электромагнитным датчикам. Описаны основные характеристики и

основные преимущества этих датчиков, отмечена тенденция роста разработок таких датчиков и измерительных систем на их основе для практических применений в разных отраслях науки и техники. В обзоре рассмотрены физические основы вихретокового метода контроля перемещений проводящих объектов.

Распределение и плотность вихревых токов определяется источником поля, электромагнитными и геометрическими параметрами объекта контроля и их взаимным расположением. Датчик регистрирует величину плотности тока в объекте в виде изменения своего комплексного сопротивления. Измеряя изменение комплексного сопротивления датчика, можно судить об электромагнитных и геометрических параметрах объекта. В главе приведена классификация и использование вихретоковых преобразователей для контроля величин зазоров, требования, предъявляемые к вихретоковым преобразователям, особенности взаимодействия с объектом контроля, зависимость сигналов датчика от параметров объекта и режима контроля.

Получаемая датчиком информация является многопараметровой. Для того чтобы осуществить селективное измерение одного из параметров в общем случае требуется применение методов разделения и подавления мешающих измерению факторов. Основу расчета составляет электромагнитный импедансный метод анализа, заключающийся в изучении проникновения плоской волны в металлические структуры, с помощью системы уравнений Максвелла.

Далее рассмотрены основные схемы включения обмоток вихретоковых датчиков, которые обеспечивает согласование их с электрическим измерительным преобразователем и преобразование изменения полного сопротивления обмотки датчика в изменение электрического тока или напряжения.

В этой главе также приведены основные структурные схемы приборов и методы обработки сигналов вихретоковых датчиков.

Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований по определению влияния геометрических параметров обмоток датчиков на чувствительность, линейность характеристики и диапазон измеряемых перемещений. Одной из главных сложностей при разработке датчиков являлось наличие тяжелых условий эксплуатации -высокой температуры, наличия водяных паров, примесей масел, наличия электромагнитных помех и т.д. Поэтому особое внимание при разработке таких датчиков уделялось не только электрофизическим характеристикам, но и особенностям их конструкции, что обуславливало бы их надежную эксплуатацию, а также учитывалась трудоемкость их изготовления, технологичность, стабильность и повторяемость характеристик. В этой связи были изготовлены и проверены несколько типов вихретоковых датчиков, катушки которых созданы с помощью различных технологий

изготовления. Ьыли изготовлены проволочные датчики с катушками в виде олоскоЙ спирали, тонкого соленоида, многослойного соленоида малой длины, ленточные датчики со спиральной намоткой. Принимая во внимание технологичность изготовления датчиков и пригодность для промышленного производства, также были исследованы датчики с катушками, изготовленными по технологии многослойных печатных плат И методом напыленкя, используемого в микроэлектронных технологиях. Конструкции чувствительных элементов датчиков показаны на рис. 2.

Для продольного смещения вала были разработаны вихретоковые датчики трансформаторного типа па основе 3-х катушечного чувствительного элемента ДП-1, Д11-2,, изготовленные по технологии многослойных печатных плат (рис. 3).

а) проволочный б) печатный в) ленточный г) напыленный

Рис 2. Конструкции чувствительных элементов датчиков

Рис. 3. Конструкция датчика трансформаторного типа

Для вихретоковых датчиков диапазон измерения преобразователя в значительной мере определяется нелинейностью градуированной характеристики. При этом важную роль играет не сама величина индуктивности обмотки Ьо, а ее изменение от величины перемещения Ь. Общий анализ результатов экспериментальных исследований глубины модуляции ДЬ/Ьо индуктивности преобразователя показывает зависимость этой величины от значений таких параметров обмотки, как глубина витка и эквивалентный диаметр витка, т.е. соотношения геометрических размеров

обмотки а = , где I - длина намотки, средний диаметр обмотки датчика (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость индуктивности от зазора

Из графика следует, что наибольшую глубину модуляции обеспечивают обмотки с малыми значениями параметра а. Как показали исследования, наиболее целесообразно такие обмотки использовать при фазовом и частотном способах выделения полезного сигнала. При этом относительно небольшой линейный диапазон (~ 0,5 радиуса катушки г0) удается расширить путем применения схемных методов линеаризации и даже простым снижением добротности (5 колебательной системы до значений 7,0...8,0 при фазовом методе выделения информации. При фазовом методе выделения информации влияние параметра а связано с изменением крутизны преобразования. При значении параметра а = 0,1 изменение фазы полезного сигнала составляет величину 70...75°, при а = 0,52 оно существенно уменьшается. По сравнению с автогенераторным методом оказывается меньше линейный участок и составляет величину ~ 0,5г0.

Существенного расширения линейного диапазона измерения (до 0,85 радиуса катушки Го) удалось достичь путем применения обмоток с параметром а = 0,32...0,42 в автогенераторной схеме, реализующей амплитудно-частотный метод выделения сигнала (рис.5).

Режим работы автогенератора существенно зависит от добротности колебательной системы р. Экспериментально установлено, что для обеспечения устойчивого режима работы автогенератора в заданном диапазоне измерения длины зазора, добротность С> колебательной системы должна выбираться в пределах значений 12...17. При этом удалось получить нелинейность изменения амплитуды колебаний от зазора не более 1,5 % в диапазоне измерения зазора 0,85го.

ди/ио

0,4

Л «.1 10,15

/ 4 / г ш М2

\ А Г 1Л

1 * >

а = //Рс|

чг

ЧШ

Ь/гО ->

О 0,1 0,2 0,3 М 0,5 0,0 0.7 О,» 0,0 1,0

Рис. 5. Влияние параметра а на диапазон измерения

Для контроля осевых смещений вращающегося ротора, обусловленных его тепловым расширением, были разработаны и исследованы трансформаторные 3-х катушечные датчики. Каждая точка контроля на роторе оснащается специальным измерительным кольцом («буртиком») различной ширины В и высоты Н. Изменение ЭДС в приемных обмотках плоского датчика обусловлено изменением интенсивности магнитного потока, вследствие перемещения «буртика» ротора. Перемещение «буртика» от центра приводит к появлению разностного сигнала в приемных катушках, фаза которого указывает направление движения. Разработанные датчики ДП-1 и ДП-2 позволяют перекрыть все требуемые диапазоны измерения тепловых расширений для энергоагрегатов мощностью 800 МВт.

В третьей главе приводятся экспериментальные исследования различных устройств возбуждения и выделения полезных сигналов электромагнитных датчиков разных конструкций. Для выделения информации от вихретоковых датчиков малых перемещений исследовались следующие схемы: амплитудная, частотная, амплитудно-частотная, фазовая, амплитудно-фазовая.

В автогенераторной схеме катушка датчика входит в состав колебательного контура автогенератора, который возбуждается на резонансной частоте колебательного контура. Амплитуда напряжения электрических колебаний автогенератора пропорциональна зазору Ь между обмоткой Ьо вихретокового датчика и контролируемым металлическим объектом.

При генераторном возбуждении колебания в контуре задаются генератором стабильной опорной частоты. Высокочастотный генератор, запитывает резонансный контур, образованный катушкой Ь датчика и емкостью. Сигналы с генератора и контура поступают на фазочувствительное устройство. Разностный сигнал, пропорциональный

величине зазора Ь между объектом контроля и катушкой датчика после фильтрации поступает на выход в виде напряжения.

По результатам исследований было установлено, что наибольшей чувствительностью к изменению зазора обладает автогенераторный метод на основе разработанного автогенератора с улучшенными характеристиками и амплитудным выделением сигнала. Фазовый способ позволяет работать с низкодобротными катушками, что определяет целесообразность его использования при работе на повышенных температурах. Еще одним значительным преимуществом фазового способа является возможность выбором рабочей частоты обеспечить требуемый диапазон измерения при увеличении начального зазора, что отражено на рис. 6.

и/и,,

0,5 1 1,5

-О- (1) 1*1.375 МНх,№б«х

-а- -(3)1=>1|4Вмнг,И*1,5ым

—(5» 1-1,226 МН2.1»бжк ------ Г*1,2в МНг, Н-1,в мм

3 3,5 4

'(<) 1-1,41 «Н2.(0,7ир. 1,5 м» — |в)1«1,ЗбМН2,|)-0 —(в) 1-1 ЗА МН1, ЦТОр, 1,в им

0 0,5 1 1,5 2 2.5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 в

1 - (3) 1ш Цвн икокт

Рис. 7. Расширение диапазона измерения

Рис. 6. Влияние частоты возбуждения

на линейность и диапазон измерения

Частотный метод, хотя и обладает меньшей чувствительностью по сравнению с амплитудным и фазовым методами, имеет преимущество при использовании в схемах с цифровой обработкой сигналов, поскольку не требует аналого-цифровых преобразователей и позволяет непосредственно интегрироваться в цифровые системы.

Как показали исследования, широкие возможности дает сочетание разных способов выделения информации о зазоре. Так, сочетание амплитудного и амплитудно-фазового способов с обработкой информации по 2 каналам позволяет расширить диапазон измерения до 5 мм при диаметре катушки датчика 8 мм с сохранением приемлемой погрешности нелинейности, что зидно из рис. 7. Предложенный метод позволяет создать датчики с расширенным диапазоном измерения.

Анализ различных способов выделения информации и исследования практических схем позволяют заключить, что для создания измерительных

преобразователей вихретоковых датчиков наиболее подходящей величиной добротности колебательной системы является:

• С? > 25 для частотного и амплитудного метода выделения информации;

• 12 < С? < 17 дня амплитудно-частотного метода;

• 5 < <3 < 12 для фазового метода.

Для каждого способа выделения информации о длине воздушных зазоров необходим выбор обобщенного параметра датчика р = г^/шац (где г - радиус обмотки ВП) более 50 с последующей оптимизацией геометрических параметров обмотки в диапазоне отношения //£>ср -о.1<;/£>ф<о.б.

Преобразователь автогенераторного типа допускает функционирование с однообмоточными датчиками типа ДБ-2 с диаметром чувствительных элементов 3,6 мм; 5,0 мм; 8,0 мм; 12,0 мм, 18 мм и обеспечивает диапазон измерения перемещений от 0,125 мм до 4,0 мм. Приведенная погрешность нелинейности в каждом диапазоне измерения не превышает 1,5 %.

Для измерения больших перемещений (до 40 мм) были разработаны датчики трансформаторного типа (рис. 8а) с устройством согласования, показанным на рис. 86.

Измерительное кольцо ротора ИК, перемещаясь параллельно плоскости обмотки возбуждения (Ь„), «возмущает» электромагнитное поле в пределах, охватываемых витками обмотки возбуждения, что приводит к появлению разностного сигнала, вырабатываемого встречновключенными измерительными обмотками (Ьпр2, Ьпрз). Величины этого разностного сигнала тем больше, чем больше смещение Ь измерительного кольца ИК от середины обмотки возбуждения к ее краям. Как показали исследования, данная схема измерений сильно зависит от зазора между поверхностью датчика и измерительным кольцом, что сказывается на погрешности измерения продольного смещения. Поэтому для улучшения

а

Рис. 8. Датчик перемещений трансформаторного типа

метрологических характеристик потребовалось ввести канал компенсации влияния зазора, что отразилось на повышении точности измерений.

Рассмотренные преобразователи разработаны с возможностью изменения их метрологических характеристик (в первую очередь диапазон измерения, чувствительность) в широких пределах. Так, преобразователь на рис. 86 может работать с трехобмоточными датчиками типа ДП-1, ДП-2 и обеспечивать измерение в диапазонах: ±18,0 мм, ±13,0 мм, ±9,0 мм, ±5,5 мм, ±4,5 мм. Приведенная погрешность нелинейности в каждом диапазоне измерения не превышает 3,5 %.

Блоки вторичной обработки предназначены для приема аналоговых сигналов от вихретоковых преобразователей, преобразования их в цифровой код и обработки по заданным алгоритмам. Ввод в схему микропроцессора (МП) позволяет существенно увеличить число операций над сигналами, а также проводить анализ характеристик, которые прямо измерены быть не могут. Блоки с МП позволяют путем ввода новой программы быстро сменить алгоритм обработки поступающих данных. Обработка измерительной информации ведется в реальном масштабе времени. Кроме задачи обработки сигналов выполняется подпрограмма самодиагностики блока и канала в целом.

Функция преобразования вихретоковых датчиков в общем случае является нелинейной. Данный факт обуславливает дополнительные трудности при коррекции погрешности от нелинейности в аналоговом виде. При аппаратной реализации блоков вторичной обработки для вихретоковых датчиков с использованием микроконтроллера было использовано кусочно-линейное приближение. Постоянные коэффициенты, определяющие наклон каждого из участков, хранятся в электронной энергонезависимой памяти (БЕРНОМ). При такой последовательной обработке поступающих данных имеются ограничения к диапазону частот входных сигналов. Для аналого-цифрового процессора типа АЕ)иС841 удается обрабатывать сигналы в реальном масштабе времени частотой несколько сотен Гц. Таким образом, наличие микропроцессора позволяет формировать градуировочную характеристику канала как в заводсклх условиях, так и непосредственно в точке контроля на объекте с учетом марки металла и требуемого диапазона измерения.

Программа работы МП написана на языке Ассемблер и состоит из основной программы обработки сигналов датчиков и подпрограмм общения оператора с блоком в целом. Наличие внешнего интерфейса позволяет оператору записать в память блока параметры, определяющие режимы работы, алгоритмы обработки информации, индицируемые параметры и т.д.

В четвертой главе рассмотрены источники погрешностей вихретоковых датчиков, определены пути их снижения и предложены

методы компенсации температурной погрешности. Можно выделить следующие основные погрешности вихретокового датчика:

- погрешность от нелинейности выходной характеристики. Эта погрешность является существенной из-за самого принципа работы вихретокового преобразователя и определяет диапазон измерения датчика;

- погрешность от воздействия температуры окружающей среды. Является существенной вследствие влияния на большое число зависимых от температуры параметров составных частей датчика;

- погрешность от влияния параметров соединительного кабеля. Появляется при изменении электрического сопротивления кабеля и емкости кабеля, а также при наведении в кабеле ЭДС от внешних полей;

- погрешность от влияния внешних электромагнитных полей. Появляется при наведении в катушке датчика ЭДС от внешнего электромагнитного поля, а также при контроле вращающихся намагаиченных валов.

Нелинейность градуировочной характеристики наиболее резко проявляется при больших значения зазора Ь. Добиться высокой линейности удалось путем оптимизации геометрических параметров катушек датчиков и режимов работы схем их возбуждения, а также использованием цифровых методов обработки выходного сигнала. Введение цифровых методов линеаризации выходной характеристики датчиков с использованием микроконтроллера на основе разработанных алгоритмов позволило понизить соответствующую погрешность до величины не превышающей 0,1 %.

Погрешность влияния длины соединительного кабеля учитывается при калибровке измерительного канала. С этой целью выбран ряд длин соединительного кабеля, по которым проведена настройка канала для обеспечения заданной чувствительности. В качестве соединительного кабеля необходимо выбирать экранированный радиочастотный кабель с малой погонной емкостью.

Изменение температуры окружающей среды может вызывать изменение: индуктивности катушки, межвитковой емкости катушки, сопротивления провода катушки, геометрии корпуса катушки, параметров соединительного кабеля, а также свойств контролируемого объекта. Воздействие этих факторов в совокупности приводит к тому, что погрешность выходного сигнала при изменении температуры от 20° до 170 °С в зоне действия датчика может доходить до 16 % в автогенераторной схеме возбуждения датчика.

Для расширения температурного диапазона работы вихретокового датчика были предложены следующие методы повышения температурной устойчивости:

1. Использование катушки из провода с малым температурным коэффициентом сопротивления ТКС (манганином) в фазовой схеме

обработки. Для повышения добротности такой катушки (малая добротность вследствие большого удельного сопротивления провода) частота возбуждения была увеличена, что позволило получить погрешность 5 % в диапазоне температур до 170 °С.

2. Для датчика, катушка которого выполнена из провода с малым ТКС целесообразно использовать схему дифференциального релаксационного генератора, позволяющего работать с низкодобротными катушками и имеющего частотный выход. Данный метод дает погрешность 5 % при 170 °С, что в 3 раза лучше по сравнению с датчиком из медного провода.

3. Метод ударного возбуждения контура катушки с последующим анализом частоты свободных колебаний. Проведенное моделирование показало работоспособность данного метода.

4. Использование встроенного датчика температуры с последующей компенсацией полученной зависимости выходного сигнала ВТД от температуры по разработанной методике калибровки и алгоритму обработки, реализованному в программном обеспечении управляющего микроконтроллера.

Первоначально производится линеаризация выходной характеристики датчика с помощью кусочно-линейной аппроксимации в нормальных условиях. Для этого характеристика датчика V = /ф разбивается на определенное число участков, число которых зависит от задаваемой погрешности датчика, с одной стороны, и его быстродействия, с другой стороны, которое определяется типом процессора и объемом массива данных. Абсциссы и ординаты их границ записываются в память, образуя начальный массив точек градуировочной характеристики Мо=(УПп, Ую — Ко) при температуре /д. Как показали проведенные исследования, при повышении температуры характеристика датчика меняет тангенс угла наклона, оставаясь линейной (рис. 96), хотя сама зависимость носит

1 оо ■

0 98 ■

С 96 -

094 -

О 92 -

0 90 -

о ей -

ове -ом -0 82

- Ь = 1 мм

• Г| = 1 5 мм

• Ь а 2 ММ

та , (=15ср с

// 1=100° с

/у а 1=20° с

/УУ*

|"п, мм|

0 10 20 30 40 50 60 70 ВО 90 100 110 120 130 140 150 160 170

'00 02 04 06 08 10 12 14 16 1В 20 22 24 26

Рис. 9. Зависимость выходного напряжения: а) от температуры для различных зазоров, 6) от зазора для различных температур

нелинейный характер (рис. 9а) и тоже подвергается кусочно-линейной аппроксимации. В этом случае, каждой /-ой точке температуры будет

соответствовать свой массив М, =(У0и У/, — Уп) = К, *Мо, получаемый из исходного массива Мо перемножением всех членов массива на коэффициент К„ зависящий от температуры / и получаемый из выражения

К >

К, = ——. Коэффициенты Ку и К^ определяют тангенс угла наклона

Ку,

выходной характеристики соответственно для температур и

Исследования датчиков и блоков согласования, доведенных до промышленного изготовления, позволяют сделать следующие выводы:

1. Амплитудно-частотный метод выделения сигнала вихретокового датчика является наиболее простым и эффективным по соотношению цена/качество. Он позволяет достаточно просто перестраивать систему применительно к различным длинам кабеля и типу контролируемого металла. Имеет высокую линейность характеристики (== 1.5 %) в широком диапазоне измерения и не требует применения специальных методов линеаризации. Может иметь выход по току и напряжению, работать в режиме ключа, используемом при измерении числа оборотов. В диапазоне температур до 100 °С дает значение погрешности не более 5 %.

2. Генераторный метод выделения сигнала трансформаторного датчика, примененный в БС-1, с введением канала компенсации зазора позволяет получить температурную погрешность не более 5 % в диапазоне до 100 °С и сопрягается с двумя типами 3-х обмоточных датчиков типа ДП-1 и ДП-2.

3. Для обеспечения измерения осевых перемещений в больших диапазонах 0...160 мм разработан индуктивный датчик перемещений на основе линейного дифференциального трансформатора. Введение в датчик дополнительного канала измерения температуры и использование цифровой обработки сигнала с использованием микроконтроллера при помощи разработанной методики и алгоритма позволило расширить рабочий температурный диапазон датчика до + 300 °С и получить температурную погрешность не более 2,5 % во всем диапазоне измерения.

Проведенные исследования позволили разработать промышленные образцы датчиков и аппаратуры для измерения относительной вибрации, осевого смещения, искривления вала и числа его оборотов вращения. Аппаратура состоит из набора вихретоковых датчиков, блоков согласования, соединенных с соответствующими датчиками кабелем необходимой длины в зависимости от места их установки и блоков контроля с устройством индикации. Датчики и аппаратура сертифицированы органами Госстандарта, внесены в Госреестр средств измерений РФ.

Импеданс датчика, помимо величины зазора до металлического объекта и рабочей частоты, также зависит от таких свойств объекта, как электропроводность о и магнитная проницаемость ц. В практике

проведения измерений зазоров на различных энергоагрегатах часто приходится иметь дело с тем, что поверхности, контролируемые вихретоковыми датчиками оказываются сделанными из разных металлов или сплавов. Это вызывает необходимость перестройки всего измерительного канала, если он не настроен изначально на данный металл, что вызывает некоторые трудности в использовании вихретоковых датчиков. Поэтому одной из актуальных задач является создание такого измерительного преобразователя, выходные характеристики которого не зависели бы от свойств контролируемого металлического объекта.

С этой целью были проведены исследования двухпараметрового метода контроля, который заключался в измерении активной и реактивной составляющей полного сопротивления датчика. Возможности данного двухпараметрического метода значительно расширяются с переходом от аналогового на цифровой способ обработки сигнала датчика с использованием современных микропроцессорных систем и специализированных микросхем. Например, специализированная микросхема фирмы Analog Devices AD5933, включает в себя схему возбуждения вихре^окового датчика, схему выделения активной и реактивной составляющих импеданса катушки датчика, аналого-цифровой преобразователь и процессор цифровой обработки сигнала. Анализ этой двухпараметровой информации позволяет значительно расширить возможности устройства выделения информации, внося в него дополнительные диагностические возможности, как, например, определение металла контролируемого образца (рис. 10), а также возможность калибровки измерительного канала путем изменения рабочей частоты вихретокового датчика с целью расширения диапазона измерения и уменьшения нелинейности выходной характеристики.

Im UaH, mV

ДБ2-8лент L»30,7 uH R*1,1 Ohm ,05 MHz

-80 -70 -во -SO -«0 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Рис. 10. Годографы вносимых напряжений для разных металлов.

Для расширения функциональных возможностей измерения зазора разработана схема цифрового вихретокового преобразователя, представленная на рис. 11.

Рис. 11. Структурная схема цифрового вихретокового преобразователя

Микропроцессорное устройство (МПУ) задает режимы возбуждения датчика, управляя частотой и фазой цифрового синтезатора частоты (ООБ), гармонический сигнал с которого возбуждает контур вихретокового датчика. Анализируя нормализованные значения активной и реактивной составляющих импеданса датчика, а также амплитуду и фазу выходного сигнала, можно определить тип контролируемого металла и подобрать частоту возбуждения схемы для обеспечения максимальной чувствительности и линейности. При контроле немагнитных металлов путем поддержания постоянным произведения проводимости на частоту, можно устранить влияние проводимости, что следует из формулы глубины

проникновения вихревых токов £= /—?—, при (1=1. МПУ управления

\eofiu

производит взаимный анализ этих характеристик, на основе которого вводятся поправочные коэффициенты, определяющие выходную характеристику датчика.

Одновременно такая схема позволяет проводить компенсацию температурной погрешности датчика, вызванную изменением проводимости контролируемого металла от температуры.

Электромеханические стенды, применяемые для калибровки вихретоковых датчиков, являются стационарными, энергоемкими и дорогими устройствами, что создает трудности для массового тиражирования их потребителям вихретоковой аппаратуры. Поэтому для сокращения затрат на испытания, отработку и входной контроль вихретоковой аппаратуры был разработан 4-х канальный электронный

имитатор вихретоковых воздействий на датчики близости. Принцип работы имитатора вихретоковых нагрузок заключается в воздействии на испытуемый датчик полем другой катушки, модуляция которого имитирует воздействие проводящего объекта. В нем отсутствует подвижные механические части, он дешев, легок, прост в изготовлении и пригоден для массового тиражирования потребителям. Электронный стенд - имитатор позволяет имитировать любое динамическое изменение зазора в пределах рабочих диапазонов и частот вихретоковых датчиков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведены исследования влияния геометрических параметров обмоток датчиков на чувствительность, линейность градуировочной характеристики и диапазон измеряемых перемещений, на основании которых разработаны датчики перемещений разных типов конструкций, изготовленных с использованием различных технологий.

2. Исследованы различные способы возбуждения и обработки сигналов вихретоковых датчиков на чувствительность, линейность и диапазон измеряемых перемещений. Определены критерии выбора схем возбуждения для заданных условий эксплуатации.

3. Разработана конструкции датчиков осевого (4 мм) и линейного (160 мм) перемещения со встроенным датчиком температуры и микропроцессорным блоком для расширения температурного диапазона работы до 170 °С и 300 °С соответственно. Разработана методика коррекции температурной погрешности и алгоритм обработки, реализованный в программном обеспечении микропроцессорного блока, позволившие получить суммарную погрешность не более 2,5 % во всем диапазоне температур.

4. Разработан метод снижения температурной погрешности вихретокового датчика, использующий включение катушки датчика из проволоки с малым ТКС (манганин) в схему релаксационного генератора.

5. Разработан метод обработки выходного сигнала датчика, позволяющий расширить диапазон измерения перемещений при сохранении геометрии датчика.

6. Разработаны структурная схема и алгоритм работы цифрового устройства обработки сигналов вихретоковых датчиков, обладающего диагностическими способностями.

7. Разработаны блоки вторичной обработки сигналов вихретоковых датчиков на основе микропроцессорной техники - осевого смещения (ОС), относительного виброперемещения (ОВ), искривления вала (ИВ),

теплового расширения (TP), тахометра (ТХ), а также программное обеспечение, выполняющее заданные алгоритмы обработки сигналов.

8. Разработан вихретоковый преобразователь с контроллером и программным обеспечением передачи данных, способный интегрироваться в промышленные сети и поддерживать протокол обмена ModBus RTU.

9. Создан электрический стенд - имитатор вихретоковых нагрузок, имитирующий работу вала турбины, для проверки работоспособности, настройки и калибровки вихретоковых датчиков, защищенный патентом РФ.

Основные публикации по теме диссертации

1. Дунаевский В.П., Машков A.C., Батырев Ю.П. и др. Однообмоточные вихретоковые датчики перемещений. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. - Вып. 302(11). М.: МГУЛ, 1999. - С. 154-159.

2. Дунаевский В.П., Машков A.C., Батырев Ю.П. и др. Вихретоковые датчики трансформаторного типа. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. - Вып. 302(11). М.: МГУЛ, 1999.-С. 160-163.

3. Дунаевский В.П., Машков A.C., Батырев Ю.П. и др. Аппаратура для контроля параметров валопроводов энергоагрегатов. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. - Вып. 302(11). М.: МГУЛ, 1999. - С. 164-169.

4. Дунаевский В.П., Машков A.C., Батырев Ю.П. и др. Преобразователи сигналов вихретоковых датчиков. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. - Вып. 302(11). М.: МГУЛ, 1999. - С. 170-173.

5. Дунаевский В.П., Машков A.C., Батырев Ю.П. и др. Блоки вторичной обработки для вихретоковых датчиков. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. - Вып. 302(11). М.: МГУЛ, 1999.-С. 174-176.

6. Машков A.C., Батырев Ю.П. и др. Способы выделения информации при контроле зазоров вихретоковыми датчиками. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. - Вып. 302(11). М.: МГУЛ, 1999. - С. 177-183.

7. Батырев Ю.П., Дунаевский В.П., Машков A.C. Вихретоковые датчики и аппаратура для измерения параметров движения. // Датчики теплофизических параметров. - Справочник. - Т.2. - М.: Изд-во. жур. Радиотехника, 1999 г.

8. Филиппов А.Н., Машков A.C., Дунаевский В.П., Батырев Ю.П. Вихретоковый преобразователь с амплитудной обработкой сигналов.

// Экология, мониторинг и рациональное природопользование. II Научные труды МГУЛ. - Вып. 307(11). М.: МГУЛ, 2000. - С. 270-275.

9. Машков A.C., Филиппов А.Н., Дунаевский В.П., Батырев Ю.П. Резонансный и генераторный методы выделения сигналов вихретоковых датчиков. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. - Вып. 307(11). М.: МГУЛ, 2000. - С. 282-287.

10. Машков A.C., Батырев Ю.П. Микрокатушка для датчиков относительной вибрации. // Труды международной конференции "Математические и физические методы в экологии и мониторинге природной среды", М.: МГУЛ, 2001, - С. 291-293.

11. Машков A.C., Батырев Ю.П. Газочувствительный микросенсор. // Записки Горного института. - 2001. - Т. 149. - С. 97-98.

12. Машков А. С., Филиппов А. Н., Батырев Ю. П. Вихретоковые преобразователи для систем контроля агрегатов роторного типа. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. - Вып. 318. М.: МГУЛ, 2002. - С. 184-190.

13. Машков A.C., Батырев Ю.П. Аналого-цифровой процессор для вихретоковых датчиков. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. - Вып. 318. М.: МГУЛ, 2002.-С. 190-194.

14. Машков A.C., Батырев Ю.П. Физические основы контроля зазоров методом вихревых токов. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. И Научные труды МГУЛ. - Вып. 318. М.: МГУЛ, 2002. - С. 195-204.

15. Машков A.C., Батырев Ю.П. Индуктивный измерительный датчик перемещений. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. - Вып. 318. М.: МГУЛ, 2002.-С. 210-214.

16. Давыдов В.Ф., Батырев Ю.П. и др. Имитатор вихретоковых нагрузок. Патент РФ на изобретение № 2231020 от 20.06.2004 г.

17. Давыдов В.Ф., Батырев Ю.П. Вихретоковый измеритель. Патент РФ на изобретение № 2281490 от 10.08.2006 г.

18. Батырев Ю.П. Цифровой датчик линейных перемещений с расширенным температурным диапазоном. // Измерительная техника. - 2006. - № 10. - С. 39-41.

19. Батырев Ю.П. Методы и устройства калибровки вихретоковых датчиков. // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2006. - № 6 (48). - С. 118-121.

Отпечатано в полном соответствии с качеством представленного оригинал-макета Подписано в печать 23.01. 2007. Формат 60x90 1/16 Бумага 80 г/м2 Ризография. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 52.

Издательство Московского государственного университета леса 141005, Мытищи-5, Московская обл., 1-ая Институтская, 1, МГУЛ E-mail' izdat@mgul.ac m

Введение

Глава 1. Электромагнитные преобразователи

1.1. Физические основы вихретокового метода контроля

1.2. Зависимость сигналов вихретоковых преобразователей от параметров объекта и режима контроля.

1.3. Классификация и использование вихретоковых преобразователей

1.4. Основные схемы включения обмоток вихретоковых датчиков.

1.5. Структурные схемы приборов вихретокового контроля.

Глава 2. Чувствительные элементы вихретоковых датчиков

2.1. Параметры, определяющие работу вихретоковых датчиков.

2.2. Виды и типы катушек вихретоковых датчиков.

2.3. Исследование влияния геометрии катушек на чувствительность датчиков перемещений.

2.4. Результаты исследования параметров катушек различных типов в режиме генераторного возбуждения контура

2.5. Вихретоковые датчики трансформаторного типа.

Глава 3. Создание устройств выделения полезных сигналов вихретоковых датчиков

3.1. Преобразователи сигналов вихретоковых датчиков

3.2. Структурные схемы преобразователей вихретоковых датчиков

3.3. Вихретоковый преобразователь с амплитудной обработкой сигналов

3.4. Фазовый и частотный методы выделения информации

3.5. Частотный метод для катушек с маленькой индуктивностью

3.6. Цифровой датчик линейных перемещений с расширенным температурным диапазоном

3.7. Интеллектуальный модуль возбуждения и обработки сигналов вихретоковых датчиков

3.8. Блоки вторичной обработки для вихретоковых датчиков.

Глава 4. Экспериментальная отработка измерительных каналов

4.1. Источники погрешностей вихретоковых датчиков

4.2. Воздействие температуры на вихретоковые преобразователи.

4.3. Методы повышения температурной стабильности вихретоковых датчиков

4.4 Многопараметровый метод обработки сигналов вихретоковых датчиков

4.5. Методы и устройства калибровки вихретоковых датчиков.

Вихретоковые датчики находят широкое применение во многих областях науки и техники. В дефектоскопии с помощью вихретоковых систем обнаруживают дефекты типа несплошностей, выходящих на поверхность или залегающих на небольшой глубине (в электропроводящих листах, трубах, проволоке, железнодорожных рельсах и т.д.), а также разнообразные трещины, расслоения и т.п. Вихретоковые методы позволяют успешно решать задачи контроля размеров деталей, например диаметр проволоки, труб, прутков, толщину металлических листов и стенок труб. Измеряемые толщины стенок могут изменяться в пределах от микрометров до десятков миллиметров. В настоящее время вихревые токи используются для индуктивного нагрева, высокочастотной закалки, для выявления металлических тел в неметаллических узлах, в неразрушающих и бесконтактных испытаниях качества металлов, для контроля линейных размеров различных объектов.

Такие датчики широко применяются для измерения длин зазоров, параметров относительной вибрации, числа оборотов, счета деталей, определения положения объектов, в том числе для измерения сил и давлений. Особенность вихретокового контроля в том, что его можно проводить без контакта датчика и объекта. При этом на сигнал вихретокового датчика практически не влияет влажность, давление и загрязненность среды и поверхности объекта контроля непроводящими веществами. Простота конструкции датчика - ещё одно преимущество вихретокового метода. При защите обмоток вихретокового датчика специальным наполнителем они устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям, могут работать в агрессивных средах с широким интервалом температур и давлений. Большой вклад в разработку вопросов теории вихретокового контроля внесли труды российских ученых: Герасимова В.Г., Гончарова В.В., Дорофеева А.Л., Клюева В.В., Покровского А.Д., Сандовского В.А., Соболева В.С, Сухорукова В.В., Федосенко Ю.К., Шатерникова В.Е., Шкарлета Ю.М, и др.

В последнее время отчетливо наметилась тенденция к микроминиатюризации датчиковой аппаратуры, при этом изменения претерпевают не только размеры самого датчика, но и электронной части, которая может быть встроена непосредственно в сам датчик. Наряду с уменьшением размеров датчиковой аппаратуры, основным направлением становится ее "интеллектуализация", т.е. проведение непосредственно в самом датчике предварительной обработки информации, функций самодиагностики и калибровки и выдачу обработанной информации в реальном масштабе времени, что уже привело за собой выработку международных стандартов для производства "умных" датчиков. Все это вместе ведет к созданию датчиков с широкими возможностями, значительно упрощающими существующие измерительные системы, делающими их гибкими и открытыми.

Вихретоковый датчик представляет собой катушку индуктивности, которая является возбудителем и приемником электромагнитных полей, взаимодействующим с объектом контроля. Сердечником датчика может служить сама контролируемая деталь, через нее замыкается создаваемый катушкой магнитный поток и изменение зазора И ведет к изменению индуктивности катушки Ьо и сопротивления Яо- Поле вихревых токов изменяет полное сопротивление контура, образованного обмоткой преобразователя и емкостью соединительного кабеля, обуславливая изменение амплитуды, частоты и фазы сигнала [1]. Характер этих изменений во многом определяется геометрическими параметрами обмотки, которые влияют на значения вносимых сопротивлений (активного и индуктивного). Изменение этих параметров с помощью электрической схемы преобразуется в удобные для усиления и измерения электрическое напряжение или ток, при этом сигнал измерительной информации последовательно претерпевает ряд преобразований от входа к выходу (усиление, детектирование, фильтрацию и т.д.) до получения на выходе результата измерения. При включении преобразователей в другие измерительные системы возникает проблема их согласования. Преобразователи по своей сущности являются чисто аналоговыми устройствами. Развитие цифровых измерительных систем вызывает необходимость в создании цифровых датчиков. В этой ситуации аналоговый выходной сигнал вихретокового преобразователя должен иметь форму, пригодную для использования в цифровой системе. Очевидно, что положительные свойства аналоговых и цифровых сигналов оптимально сочетаются в электрических сигналах, информационным параметром которых является частота, фаза (длительность импульса). Такие частотно-временные сигналы, являясь по существу аналоговыми, для вихретоковых преобразователей могут быть получены относительно просто. Pix передача и обработка осуществляется с точностью, характерной для кодовых сигналов. Для вихретокового преобразователя частотно-зависимый выход реализуется путем использования свойства индуктивности как частотозадающего элемента. Значение частоты или периода (длительности импульса для фазового метода) может быть определено в любой момент времени с высокой точностью с помощью аналогово-цифрового процессора [38], имеющего минимальную конфигурацию контроллера на основе микро-ЭВМ. Все необходимые для функционирования операции - измерение, линеаризация характеристики, реализация последовательного системного интерфейса - производятся программно. Такой подход позволяет решить проблему использования преобразователей в больших системах, построенных по иерархической структуре с наделением их функции предварительной обработки.

Для наиболее ответственного и уникального оборудования, каким являются энергетические установки, вырабатывающие электричество, стоимостью десятки миллионов рублей (рис.1), используется стационарные системы контроля и диагностики, которые позволяют вести контроль над состоянием агрегатов непрерывно.

Рис. 1. Общий вид турбины Структурно такая система представляет собой измерительный и программный комплекс из полного набора вихретоковых датчиков, устройств сопряжения, контроллеров, программного обеспечения мониторинга [41]. Пример возможной конфигурации системы для контроля энергетических агрегатов при помощи вихретоковых датчиков (на примере агрегата Сургутской ГРЭС-2) приведён на рис.2.

Рис. 2. Контроль энергетических агрегатов при помощи вихретоковых датчиков.

Система обеспечивает контроль таких параметров как: осевой сдвиг вала ротора в диапазоне -1,5 / + 2,2 мм; виброперемещения вала ротора в диапазоне 0.500 мкм в 4-х поддиапазонах; линейные (осевые) перемещения вала ротора в диапазонах - 4 /+ 5 мм, - 4 / + 7 мм, -3 / + 15 мм, - 3 / + 23 мм, - 4 / + 32 мм; тепловое расширение корпуса турбины в диапазоне 0.60 мм; частота вращения вала ротора в диапазоне 0.4000 об/мин. искривление вала в диапазоне 0 - 500 мкм.

Крепление датчиков для измерения относительной вибрации показано на рис. 3.

Рис. 3. Крепление датчиков на турбине

Целью данной работы является:

Разработка элементов и узлов аппаратуры контроля над состоянием работы установок роторного типа на основе электромагнитных датчиков, находящихся в условиях воздействия агрессивных сред с широким интервалом температур и давлений с улучшенными метрологическими характеристиками.

Примером такой установки может служить энергетический агрегат Сургутской ГРЭС-2 мощностью 800 МВт.

Актуальность работы.

Несмотря на достаточно широкий выбор таких датчиков на рынке, продолжаются работы и исследования, направленные на совершенствование их характеристик - расширение диапазона измерения, уменьшение нелинейности, уменьшение температурной зависимости, нормирование выходного сигнала для разных типов металлов. Также изменения связаны с внедрением микроэлектронных технологий при создании катушек индуктивности, внедрением цифровых методов обработки и представления информации и созданием интеллектуальных преобразователей.

В задачи работы входило:

1. Исследование влияния геометрических параметров обмоток вихретоковых датчиков, изготовленных по различным технологиям на чувствительность, диапазон измерения перемещений и линейность градуировочной характеристики.

2. Исследование схем возбуждения и обработки сигналов вихретоковых датчиков различных конструкций на чувствительность, линейность и диапазон измеряемых перемещений в условиях воздействия повышенных температур.

3. Поиск путей снижения температурной погрешности вихретоковых датчиков. Исследование методов компенсации температурной погрешности. Разработка датчиков перемещения с расширенным температурным диапазоном работы.

4. Разработка структурной схемы и алгоритма работы цифрового устройства обработки сигналов вихретокового датчика.

5. Разработка схем и алгоритмов работы блоков вторичной обработки сигналов электромагнитных датчиков на основе микропроцессорной техники.

6. Исследование и создание электрического стенда - имитатора вихретоковых нагрузок для проверки работоспособности, настройки и калибровки вихретоковых датчиков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведены исследования влияния геометрических параметров обмоток датчиков на чувствительность, линейность градуировочной характеристики и диапазон измеряемых перемещений, на основании которых разработаны датчики перемещений разных типов конструкций, изготовленных с использованием различных технологий.

2. Исследованы различные способы возбуждения и обработки сигналов вихретоковых датчиков на чувствительность, линейность и диапазон измеряемых перемещений. Определены критерии выбора схем возбуждения для заданных условий эксплуатации.

3. Разработаны конструкции датчиков осевого (4 мм) и линейного (160 мм) перемещения со встроенным датчиком температуры и микропроцессорным блоком для расширения температурного диапазона работы до 170 °С и 300 °С соответственно. Разработан алгоритм компенсации температурной погрешности, реализованный в программном обеспечении микропроцессорного блока, позволивший получить суммарную погрешность не более 2,5 % во всем диапазоне температур.

4. Разработан метод снижения температурной погрешности вихретокового датчика, использующий включение катушки датчика из проволоки с малым ТКС (манганин) в схему релаксационного генератора.

5. Разработан 2-х параметровый метод обработки выходного сигнала датчика, позволяющий расширить диапазон измерения перемещений при сохранении геометрии датчика.

6. Разработаны структурная схема и алгоритм работы цифрового устройства обработки сигналов вихретоковых датчиков, обладающего диагностическими способностями.

7. Разработаны блоки вторичной обработки сигналов вихретоковых датчиков на основе микропроцессорной техники - осевого смещения (ОС), относительного виброперемещения (ОВ), искривления вала (ИВ), теплового расширения (ТР), тахометра (ТХ), а также программное обеспечение, выполняющее заданные алгоритмы обработки сигналов.

8. Разработан вихретоковый преобразователь с контроллером и программным обеспечением передачи данных, способный интегрироваться в промышленные сети и поддерживать протокол обмена МосШиБ ЯТИ.

9. Создан электрический стенд - имитатор вихретоковых нагрузок, имитирующий работу вала турбины, для проверки работоспособности, настройки и калибровки вихретоковых датчиков, защищенный патентом РФ.

1. Герасимов В.Г. и др. Неразрушающий контроль. Кн. 3. Электромагнитный контроль. Под ред. проф. Сухорукова В.В., М., Высшая школа, 1992 г.

2. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. проф. В.В. Клюева, Машиностроение, М., 1976 г.

3. Герасимов В.Г., Клюев В.В, Шатерников В.Е. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий, Энергоатомиздат, М., 1983 г.

4. Герасимов В. Г. и др., Неразрушающий контроль качества изделий электромагнитными методами, М.; Энергия, 1978 г.

5. Герасимов В.Г. Электромагнитный контроль однослойных и многослойных изделий. М., Энергия, 1972 г.

6. Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник под ред. Г.С. Самойловича, Машиностроение, М., 1976 г.

7. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара. Справочник под ред. проф. В.В. Клюева, кн.2, М., Машиностроение, 1978 г.

8. Неразрушающие испытания. Справочник под ред. Р. Мак-Мастера. М., Энергия, 1965 г.

9. Гаврилин В.В., Григулис Ю.К. Электромагнитные радиоволновые приборы для контроля слоев полупроводниковых и металлических структур. Рига, Зинатне, 1983 г.

10. Григулис Ю.К. Электромагнитный метод анализа слоистых полупроводниковых и металлических структур. ЗИНАТНЕ, Рига, 1970 г.

11. Н.Дорофеев А.Л. Вихретоковые датчики. М.: Энергия, 1977 г.

12. Дорофеев А.Л., Казаманов Ю.Г. Электромагнитная дефектоскопия. М., Машиностроение. 1980 г.

13. Баскаков С.И. Основы электродинамики. М.: Советское радио, 1973 г.

14. Купалян С. Д. Теоретические основы электротехники. Ч.З Электромагнитное поле, Энергия, М., 1970 г.

15. Матвеев А.Н. Электродинамика, Высшая школа, М., 1980 г.

16. Батырев Ю.П. и др. Глава 7 Специализированные датчики и аппаратура для измерения параметров движения, справочник, т.2 Датчики теплофизических и механических параметров под ред. Ю.Н. Коптева, Радиотехника, М., 2000 г.

17. Локшина Н. Н., Шкарлет Ю. М. Приближенная методика расчета накладных вихретоковых датчиков. Дефектоскопия, № 1, 1970 г.

18. Калантаров П. JI., Цейтлин JI. А. Расчет индуктивностей. Справочная книга. JI. Энергоатомиздат, 1986 г.

19. Немцов М.В. Справочник по расчету параметров катушек индуктивности. М., Энергоатомиздат, 1989 г.

20. Федотов А. В., Расчет и проектирование индуктивных измерительных устройств, М.; Машиностроение, 1979 г.

21. Виноградов 10. Д. и др., Электронные измерительные системы для контроля малых перемещений, М.; Машиностроение, 1976 г.

22. Индуктивно-частотные преобразователи неэлектрических величин. М.: Энергия, 1968 г.

23. Титце У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982 г.

24. A. Passeraub, G.Rey-Mertet. Inductive proximity sensor with a flat coil and a new differential relaxation oscillator. Sensors and Actuators, A60 (1997), p. 122126.

25. Pavel Kej'ik, Rade S. Popovic . A low-cost inductive proximity sensor for industrial applications, Sensors and Actuators, vol A 110 (2004), p. 93-97.

26. S. Middlehoek, P. J. French, J. H. Huijsing, and W. J. Lian, "Sensors with digital or frequency output," Sensors and Actuators, vol. 15, pp. 119-133,1988.

27. Алиев Т.М., Тер-Хачатуров A.A. Измерительная техника, М., Высшая школа, 1991 г.

28. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений, М., Мир, 1990 г.

29. Белоцерковский Г. В. Основы радиотехники и антенн. Учебник, т. 4, М.; Сов. Радио, 1978 г.

30. Вульвет Дж. Датчики в цифровых системах, М., Энергоиздат, 1981 г.

31. Дунаевский В.П., Машков A.C., Батырев Ю.П. и др. Однообмоточные вихретоковые датчики перемещений. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. Вып. 302(11). М.: МГУЛ, 1999. - С. 154-159.

32. Круликовский A.A. Справочник по радиоэлектронике. T.l. М.: Энергия, 1968 г.

33. Хоровиц 3. П., У.Хилл. Искусство схемотехники. Т.1., М.: Мир, 1993 г.

34. Дунаевский В.П., Машков A.C., Батырев Ю.П. и др. Аппаратура для контроля параметров валопроводов энергоагрегатов. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. -Вып. 302(11). М.: МГУЛ, 1999. С. 164-169.

35. Аш Ж. с соавт. Датчики измерительных систем, ч.1. М., Мир, 1992 г.

36. Потапов А.И., Пеккер Ф.П. Неразрушающий контроль конструкций из композиционных материалов, Л., Машиностроение, 1977 г.

37. Машков A.C., Батырев Ю.П. Аналого-цифровой процессор для вихретоковых датчиков. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. Вып. 318. М.: МГУЛ, 2002. -С. 190-194.

38. Викторов В.А., Лункин Б.В. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М., Наука, 1973 г.

39. Волков Б.И., Агафонов В.А. Исследование параметров локальности вихретокового преобразователя с конусным сердечником, Дефектоскопия, № 5, 1983 г.

40. Гольдин A.C. Вибрация роторных машин. М.: Машиностроение, 1999 г.

41. Шепетильников В.А. Теория и практика балансировочной техники. М.: Машиностроение, 1973 г.

42. Гончаров Б.В. Теория и практика безэталонных электромагнитных методов контроля, М., Машиностроение, 1975 г.

43. Гликман И.Я., Русин Ю.С. Расчет характеристик элементов цепей радиоэлектронной аппаратуры. М., Советское радио, 1976 г.

44. Машков A.C., Батырев Ю.П. и др. Способы выделения информации при контроле зазоров вихретоковыми датчиками. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. Вып. 302(11). М.: МГУЛ, 1999.-С. 177-183.

45. Вопилин B.C., Буров В.Н. Алгоритмы обработки информации в вихретоковых средствах измерения параметров изделий. Дефектоскопия, № 9, 1984 г.

46. Peter O'Shea. "Phase Measurement." Copyright 2000 CRC Press LLC.

47. Соловьев В.Я. Фазовые измерения. M., Энергия, 1973 г.

48. Смирнов П.Т. Цифровые фазометры. Л., Энергия, 1974 г.

49. Скрипник Ю.А. Модуляционные измерения параметров сигналов и цепей. М., Советское радио, 1975 г.

50. Федосенко ЮК. Теория вихретокового контроля преобразователями с неравномерной плотностью намотки. Дефектоскопия, № 3,1980 г.

51. Меркулов А.И. Приближенный анализ накладных вихретоковых преобразователей. Дефектоскопия, № 1,1982 г.

52. Ляченков Н.В. Повышение чувствительности накладных вихретоковых датчиков. Датчики и системы. № 9, 1999 г., С. 39-40.

53. Аграновский Б.А., Ермаков А.Н. Градуировка цифровых электромагнитных толщиномеров с учетом функции коррекции. Дефектоскопия, №4, 1982 г.

54. Герасимов А.И. Мазин В.Д. Использование свойств дробно-линейных преобразование в измерительных преобразователях. // Приборы и системы управления. №9. - 1989 г.

55. Вологжанин Л.И. Повышение стабильности электромагнитных приборов. Дефектоскопия, №4,1984 г.

56. Буров В.Н., Шатерников В.Е. Влияние конструктивных параметров накладных трансформаторных вихретоковых преобразователей на выбор структуры и метрологические характеристики электромагнитных измерительных средств. Дефектоскопия, №4, 1980 г.

57. Дякин В.В., Сандовский В.А. Теория и расчет накладных вихретоковых преобразователей. М.: Наука, 1981 г.

58. Демидова-Панферова P.M., Малиновский В.Н. и др. Задачи и примеры расчетов по электроизмерительной технике. М.: Энергоатомиздат, 1990 г.

59. Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы вибрации валопроводов и общие требования к проведению измерений ГОСТ 27165-86.

60. Машков A.C., Батырев Ю.П. Физические основы контроля зазоров методом вихревых токов. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. Вып. 318. М.: МГУЛ, 2002. -С. 195-204.

61. Дунаевский В.П., Машков A.C., Батырев Ю.П. и др. Вихретоковые датчики трансформаторного типа. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. Вып. 302(11). М.: МГУЛ, 1999.-С. 160-163.

62. Филиппов А.Н., Машков A.C., Дунаевский В.П., Батырев Ю.П. Вихретоковый преобразователь с амплитудной обработкой сигналов. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. Вып. 307(11). М.: МГУЛ, 2000. - С. 270-275.

63. Машков A.C. Вихретоковые преобразователи перемещений. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. Вып. 318. М.: МГУЛ, 2002.-С. 173-184.

64. Новиков В.Н., Чувыкин Б.В. // Датчики и системы. 2005. - № 9. - С. 24 -28.

65. Машков A.C., Батырев Ю.П. Микрокатушка для датчиков относительной вибрации. Труды межд. конф. "Математические и физические методы в экологии и мониторинге природной'среды", 23-25 окт. 2001 г., изд. МГУЛ, М., 2001, с. 291-293.

66. Манохин А.Е., Герасимов Н.Б. Эквивалентный электрический метод определения амплитудно-частотной характеристики вихретоковых датчиков перемещения. // Измерительная техника. 2000. - № 6. - С. 43.

67. Филиппов A.b., Машков A.C. и др. Вихретоковый датчик перемещений. Патент РФ на изобретение № 2196960.

68. Тиль Т. Электрические измерения неэлектрических величин. М.: Энергоатомиздат, 1987.

69. Трофимов A.A., Конаков Н.Д. Трансформаторные датчики перемещений с расширенным диапазоном измерений. // Датчики и системы. 2005. - № 9. -С. 8-10.

70. Гаврилов В.А., Трофимов A.A. Система измерения линейных перемещений. // Датчики и системы. 2005. - № 9. - С. 44 - 46.

71. Шапонич Д., Жигич А. Коррекция пьезорезисторного датчика давления с использованием микроконтроллера. // Приборы и техника эксперимента. -2001.-№ 1.-С. 54-60.

72. Давыдов В.Ф., Батырев Ю.П. и др. Имитатор вихретоковых нагрузок. Патент РФ на изобретение № 2231020 от 20.06.2004 г.

73. Новицкий П.В., Кнорринг В.Г., Гутников B.C. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л.: Энергия, 1970 г.

74. Петухов В.М. и др. Транзисторы полевые. М.: Советское радио, 1978 г.

75. Ицкович Э.Л. Современные интеллектуальные датчики общепромышленного назначения, их особенности и достоинства. // Датчики и системы. 2002. - № 2. - С. 42 - 47.

76. Ph. A. Passeraub and others. A differential relaxation oscillator as a versatile electronic interface for sensors, Sensors and Actuators. A58 (1997), p. 141-148.