CC BY
107
МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА КАЛИБРОВКИ ВИХРЕТОКОВЫХ ДАТЧИКОВ
Ю.П. БАТЫРЕВ, ст. науч. сотр. НИЧ, МГУЛ
Для контроля вибрационного состояния различного энергетического оборудования находит широкое применение аппаратура, использующая метод вихревых токов. Базовая комплектация такой аппаратуры, как правило, состоит из 4-х основных измерительных каналов [1]:
- канала измерения осевых смещений
(ОС);
- 2 каналов измерения виброперемещений по координатам X и Y (ОВ);
- канала измерения числа оборотов (ТХ).
Измерительный канал состоит из вихре-
токового датчика с блоком согласования и блока вторичной обработки информации и визуализации. При этом рабочий диапазон частот измерительного канала при контроле осевых смещений составляет, как правило, 0-10 000 Гц, а при контроле виброперемещений может доходить до 25 000 Гц с амплитудами до 1000 мкм.
В процессе изготовления, настройки и испытания базовой модели такой аппаратуры возникает необходимость контроля как статических, так и динамических (амплитудно-частотных) характеристик измерительных каналов. Для контроля диапазона измерения и его линейности обычно используется юстировочный механизм с микрометрическим устройством (рис. 1).
Рис. 1. Юстировочное устройство с датчиком
Настройка статической характеристики измерительного канала происходит путем задания эталонного зазора между головкой датчика и образцовым металлическим объектом, закрепленным на юстировочном устройстве с контролем выходного напряжения, или тока, по которому оценивается нелинейность градуировочной характеристики канала по формуле
7 -7 р
= —^ _Ю0%,
7 - 7
мах мин
где - измеренное значение выходного сигнала при 1-м значении измеряемого параметра;
7о6р - образцовое значение выходного сигнала при 1-м значении измеряемого параметра;
7 и 7 - максимальное и минимальное
мах мин
значения выходного сигнала на границах диапазона измерения.
Для контроля динамических характеристик измерительного канала в настоящее время нашли применение специальные калибровочные стенды, позволяющие имитировать работу вращающегося вала в лабораторных условиях. Калибровочный стенд представляет собой электромотор, на валу которого закреплен диск из образцового металла. Внешняя поверхность диска обработана таким образом, что образуется небольшой угол между плоскостью головки датчика, установленного вертикально, и поверхностью диска. Датчики закрепляются на стенде с помощью микрометрических держателей с возможностью их перемещения вдоль горизонтальной и вертикальной осей. Это позволяет устанавливать датчики в любое место и на любом расстоянии относительно диска, задавая с высокой точностью как установочный зазор, так и амплитуду вибрации. Для проверки канала тахометра на диске имеется измерительный паз. Схема управления электромотором позволяет задавать требуемую скорость вращения вала и соответственно частотный диапазон вибрации. Стенд позволяет имитировать вибрацию с амплитудой от 0 до 500 мкм и частотой от 4 до 100 Гц. Внешний вид калибровочного стенда показан на рис. 2.
Рис. 2. Калибровочный стенд КСВ-Д-1
Рис. 3. Взаимодействие датчика с объектом
Для контроля полосы пропускания головка датчика устанавливается на расстоянии 1-1,5 мм от диска вибростенда. При работе вибростенда зазор между контролируемым объектом и датчиком меняется с частотой и амплитудой, задаваемой оператором, а измерительный сигнал контролируется на выходе блока согласования.
Такая методика, хотя и позволяет проводить контроль и аттестацию вихретоковых каналов, требует применения дорогостоящего оборудования, при этом возможности применяемого оборудования не всегда могут соответствовать требуемым частотным или амплитудным характеристикам измерительного канала. Основной недостаток вибростенда - невысокие динамические свойства, сложность, энергоемкость, наличие подвижных вращающихся частей, а также высокая стоимость.
Вместе с тем известно, что чувствительный элемент вихретокового датчика в виде измерительной обмотки, расположенной вблизи проводящего объекта (рис. 3а), представляет собой эквивалентную систему связанных контуров (рис. 3б), где Ь, - индуктивность катушки, ¿2 - эквивалентная индуктивность объекта, Д, - омическое сопротивление катушки, Д2 - эквивалентное сопротивление объекта, М = ку]ц ■ Ь2 - взаимная индуктивность, k - коэффициент связи катушки с объектом. Благодаря вихревым токам, текущим в проводящем объекте, в измерительную обмотку датчика вносится эквивалентное сопротивление, величина которого является функцией зазора между датчиком и объектом. Изменяя эквивалентное сопротивление, вносимое в измерительную обмотку датчика, имитируют изменение величины зазора.
Первичная цепь с катушкой датчика и источником питания Е1 может быть описана уравнением
(Д + ■ I, + ]&М!2 = Е,, (1)
а вторичная цепь (объект контроля) - уравнением (Д + >¿2) ■ 12 + = 0, (2)
где ю - круговая частота тока.
Отсюда можно получить [2]
[ R +
м V
г>2 , т-2 2 2
R2 + L2ra
R +
+М L -
м V
г>2 , т-2 2 2
R2 + L2ra
(3)
L2)] • I =
Импеданс первичной цепи изменяется из-за связи с вторичной цепью. Присутствие металлического тела вблизи катушки уменьшает ее индуктивность на величину Ьн и увеличивает сопротивление на величину Д следующим образом:
L = L. -
1экв 1
M V
R2 + L2(Ü M 2<в2
R = R i _
1экв 1 г)2 т-2 2 "2
2 2 L2 L1 k L1 ■
(4)
L
R = R + к ^ R., (5)
Г>2 , x2 2 2 1 T 2 ' V '
R2 + L2ra L2
учитывая, что на высоких частотах для объекта из материала с высокой проводимостью R2 « ®l2.
Вносимое R и, соответственно, активное
вн ' '
эквивалентное R, сопротивления можно менять
1экв г
в широких пределах. Тогда если перед обмоткой датчика L1 установить индуктивность L2 и шунтировать ее переменным сопротивлением R2, то можно менять в широких пределах Rm (потери), т.е. осуществить имитацию внесения образца контроля. Учитывая, что импеданс обмотки датчика, работающей в резонансном режиме, чисто активный, можно считать, что изменение Rm преобразуется в выходной сигнал обмотки, пропорциональный изменению расстояния h между датчиком и катушкой.
При использовании полевого транзистора [3] в качестве управляемого резистора R2 связь между вносимым сопротивлением и синусоидальным изменением сопротивления канала RxaH полевого транзистора определяется выражением
R = к2 lL r sin Qt (6)
вн j кан • \ /
L
Как показано в [4], изменение активного сопротивления Явн, преобразуется электронной частью датчика в выходной сигнал, пропорциональный изменению расстояния h от обмотки датчика до объекта контроля. Если активное сопротивление контура Я1экв изменяется по закону вибрации объекта как
Я = Я + Я ■ sin Ог, (7)
1 экв 1 вн ? V /
то и демодулированное напряжение и на выходе датчика будет связано с законом изменения Я
и = и
Явн
_вн
Я
- sin О.
(8)
где О - круговая частота виброперемещения.
Таким образом, изменяя напряжение на затворе полевого транзистора, можно имитировать расстояние между обмоткой и объектом, а подавая на затвор синусоидальное напряжение, - имитировать вибрацию объекта в широком диапазоне частот.
Рис. 4. Структурная схема электронного 4-канального имитатора
Для проведения комплексного контроля всех 4 каналов (ОВ, ОС, ТХ) базовой аппаратуры был разработан 4-канальный имитатор вихрето-ковых нагрузок, структурная схема которого показана на рис. 4.
Имитатор содержит четыре катушки индуктивности L1 - L4, в качестве которых использованы чувствительные элементы вихретоковых датчиков, представляющие собой спиральную обмотку из многослойной печатной платы. Параллельно каждой катушке L1 - L4 подключены полевые транзисторы УТ1 - УТ4, играющие роль управляемых активных сопротивлений. Затворы полевых транзисторов УТ1 - УТ4 соединены с переменными резисторами R1 - R4, которые питаются от источника опорного напряжения (ИОН) и обеспечивают имитацию установки исходного зазора h для испытываемых датчиков, которые установлены перед катушками индуктивности L1 - L4.
Затворы транзисторов УТ1, УТ2, УТ4 подключены также к выходу соответствующих переменных резисторов К5, R6 и R7, регулирующих амплитуду имитируемого виброперемещения. Имитатор содержит также перестраиваемый генератор Г1, выход которого соединен с резистором R5, регулирующим амплитуду колебаний Ах на обмотке L1 (канал Х) и через фазовращатель (ФВ) с переменным резистором R6 регулирующим амплитуду колебаний Ау на обмотке L2 (канал Y). Фаза колебаний в канале Y изменяется переменным резистором R8 в пределах от 0° до 180°.
В канале тахометра используется генератор несимметричных прямоугольных импульсов (ГИ) с большой скважностью. Рабочая частота ГИ может плавно изменяться, создавая имитацию вращения вала в переделах от 1 до 200 000 об/мин.
В тракте канала ОС используется широкополосный синусоидальный генератор Г2, амплитуда которого меняется переменным резистором R7, а частота - переменным резистором R9 от 10 Гц до 25 000 Гц.
Из приведенных соотношений (4-5) следует, что, изменяя величины Ь Д2, достигают изменения Хен (Ьн и ReJ в первичном контуре, т.е., осуществляют имитацию внесения образца контроля в зону чувствительного элемента вихрето-
кового датчика. Изменение комплексного сопротивления УТ1 преобразуется электронной схемой в выходной сигнал датчика, пропорциональный изменению расстояния от чувствительного элемента датчика до объекта контроля. Таким образом, изменяя смещение на затворе полевого транзистора УТ1, имитируют изменение зазора между чувствительным элементом датчика и объектом, а подачей переменного (вибрационного) сигнала на затвор имитируют вибрацию объекта. Тем самым создают возможность проверки амплитудно-частотной характеристики первичного датчика в широком диапазоне вибрации и величин зазоров.
Рис. 5. Имитатор вихретоковых нагрузок
Разработанный 4-канальный электронный имитатор (рис. 5) и микрометрическое юстировоч-ное устройство позволяют быстро и эффективно проводить настройку, испытания и входной контроль статических и динамических параметров измерительных каналов вихретоковых датчиков и блоков вторичной обработки и визуализации информации аппаратуры СВКА 1 - 02.06 в базовой комплектации.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 05-08-33486
Библиографический список
1. Дунаевский, В.П. Аппаратура для контроля параметров валопроводов энергоагрегатов / В.П. Дунаевский, А.С. Машков, Ю.П. Батырев и др.: сб. науч. тр. - Вып. 302(11). - 1999. - С. 164-169.
2. Аш, Ж. Датчики измерительных систем. - Т. 1. / Ж. Аш и др. - М.: Мир, 1992.
3. Титце, У Полупроводниковая схемотехника / У. Титце, К. Шенк. - М.: Мир, 1982.
4. Манохин А.Е., Герасимов Н.Б. // Измерительная техника. - 2000. - № 6. - С. 43.
