CC BY
66
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Таблица 4
Точность точек QuickBird
№ точек AN (м) 5AN (м) AE (м) 5AE (м)
1 -2,8 -1,8 0,1 1,8
2 -1,3 -0,3 0,3 2,0
3 -3,8 -2,8 -2,0 -0,3
4 0,7 1,7 -1,5 0,2
5 2,2 3,2 -5,5 -3,8
Сред. -1,0 -1,7
СКО 2,4 2,2 2,7 2,1
Таблица 5
Точностные соответствия ГИС, координат и пространственного разрешения космических изображений
Знаменатель ЦМР и ЦММ Твердая точка Нетвердая точка Разрешение
10 000 1 4 2
25 000 2.5 10 6
100 000 10 40 23
250 000 25 100 55
500 000 50 200 250
Результаты приведены в табл. 3 и 4 для Ikonos и QuickBird соответственно. Знак А означает уклонение от эталона (данные GPS), а знак 5 - уклонение от среднего.
Из сравнения данных табл. 3 и 4 с результатами табл. 1 и 2 можно сделать вывод, что снимок с Ikonos отцентрирован неточно, с ошибкой примерно 11 метров, а второй снимок, с учетом точности измерений, следует признать точным. Деформация изображений, с учетом точности измерений, практически отсутствует.
В табл. 5 приведены условия взаимного соответствия ГИС-основы и требуемых координатных точностей снимков и их пространственного разрешения (в метрах). Здесь ответственным пунктом является выбор ГИС-основы. Дело в том, что распространенными являются ЦММ масштаба 1 : 200 000 и мельче. Более крупномасштабные основы необходимо создавать по месту. Это трудоемкое и дорогое дело, а то, как его упрощают и удешевляют, остается неизвестным.
Таким образом, данное исследование свидетельствует, что проблема взаимного координатного согласования ГИС-продуктов, картографических материалов и космических снимков существует. За основу согласования целесообразно принять данные качественных профессиональных GPS-измерений, а методику разработать с учетом целевых задач отрасли.
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ ВИХРЕТОКОВЫХ ДАТЧИКОВ
Ю.П. БАТЫРЕВ, доц. каф. физикиМГУЛ, канд. техн. наук,
Н.П. ПОЛУЭКТОВ, проф. каф. физики МГУЛ, д-р техн. наук,
В.Н. ХАРЧЕНКО, проф. каф. физики МГУЛ, д-р техн. наук,
В.Е. БАГДАТЬЕВ, инженер ФГУП «НПО Измерительной техники»
Электромагнитные (вихретоковые) датчики находят широкое применение в системах управления работой различных агрегатов [1, 2]. В частности, вихретоковый метод - один из эффективных и надежных при контроле и диагностике состояния роторов энергоагрегатов, таких как турбины электростанций, стоимостью сотни миллионов рублей. С помощью вихретоковых датчиков обеспечивают измерение относительной вибрации, числа оборотов, искривления, а также тепловых расширений 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 индуктив-
ность. 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 [3].
В данной статье рассмотрены методы компенсации температурной погрешности вихретоковых датчиков, которая является преобладающей при работе на повышенных температурах. Увеличение 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
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
103
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
к тому, что погрешность выходного сигнала при изменении температуры от 20 еС до 170 еС в зоне действия датчика может доходить до 16 % в автогенераторной схеме возбуждения датчика.
Методы повышения температурной стабильности вихретоковых измерителей можно условно разделить на:
- технологические;
- параметрические;
- схемотехнические;
- методические.
Технологические методы повышения температурной стабильности включают вопросы оптимизации применяемых конструкционных материалов в части подбора их коэффициентов линейного температурного расширения ам, введение в технический процесс изготовления преобразователя процессов старения (термоциклирование), а также применения специальных технологий изготовления обмотки, например, заливка в пластмассу или эпоксидную смолу в вакууме с целью исключения воздушных включений. Применение этих методов позволяет стабилизировать значение межвитковой емкости обмотки, а также стабилизировать смещение обмотки в целом под воздействием температуры.
При использовании параметрической стабилизации во многих случаях для температурной коррекции обмотки применяют намотку проводом с высоким сопротивлением, имеющим низкий или заданный температурный коэффици-
ент сопротивления. Данная мера может быть полезна при высоких несущих частотах, при этом увеличение сопротивления компенсируется увеличением индуктивного сопротивления &L и значение добротности Q оказывается приемлемым для получения требуемой чувствительности. Для примера: удельное сопротивления чистой меди ро = 1,55 Ч 10-6 ОмЧсм, температурный коэффициент ао = 433 Ч 10-5 к-1 (табл. 1).
На рис. 1 приведены выходные экспериментально полученные характеристики преобразователя в автогенераторной и фазовой схеме обработки информации для обмотки 0 12 мм, выполненной из медно-манганиновой проволоки 0 0,2 мм с параметрами Ra = 10,26 Ом, L = 25 мкГн. Диапазон возбуждающихся частот при исследовании фазовой схемы лежал в диапазоне 0,75 ч 1,5 МГц. Автогенераторная схема имела параметры С0 = 1000 пФ, f = 1 МГц, R = 5 Ом. Из анализа представленных характеристик видно, что применение автогенераторного метода не обеспечивает большого диапазона измерения с линейной характеристикой.
Фазовый метод выделения сигнала дает больший линейный участок, хотя при этом абсолютные приращения сигнала составляют меньшие значения по сравнению с автогенераторным методом в диапазоне измерения, что обуславливает необходимость применения усилителя постоянного тока. Датчик закреплялся в жестком металлическом приспособлении.
Т а б л и ц а 1
Заполнение ро и ао для некоторых высокоомных сплавов для применения
Сплав Массовое содержание компонентов, % P , 10-6 <o’ Статья I ОмЧсм а ^ 10-5 к-1
Константан 45 Cu, 45 Ni, 1 Mn 50 -3
Манганин 86 Cu, 12 Mn, 2 Ni 43 1-2
85 Cu, 9,5 Mn, 5,5 Al 45 1-3
Медь-алюминий 95 Cu, 5 Al 11 8,0
Медь-марганец 95,5 Cu, 9,5 Mn 35,2 9,1
93 Cu, 5 Mn, 2 Al 22 5
Медь-марганец-алюминий 88 Cu, 10 Mn, 2 Al 38 -3
Никелин 67 Cu, 30 Ni, 2-3 Mn 40 11
Низельбер 60 Cu, 17 Ni 23 Zn 30 35
Т а б л и ц а 2
Результаты температурных испытаний медно-манганинового датчика на воздействие повышенной температуры в статическом режиме
Температура, е С 20 100 140 150 160
U вых, В зазор 1 мм (2 слоя ситалла) Погрешность, % 0,751 0,741 1,3% 0,722 3,8% 0,712 5,2% 0,703 6,4%
U вых, В зазор 2 мм (4 слоя ситалла) Погрешность, % 1,395 1,372 1,6 % 1,314 5,8% 1,301 6,7% 1,275 8,6%
104
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
U, B
— — Фазовая схема
—■— Генераторная схема Рис. 1. Выходные характеристики датчика из манганина
Рис. 2. Приспособление для температурных испытаний датчика
Датчик
Рис. 3. Приспособление с прижимной пружиной для температурных испытаний датчика
На рис.2 приведена схема температурных испытаний медно-манганинового датчика на воздействие повышенной температуры 170 еС в статическом режиме, в табл. 2 - результаты испытаний.
При изменении температуры изменяются электрические параметры датчика: индуктивность L, активное сопротивление R паразитная емкость С что приводит к изменению эквивалентного сопротивления контура измерительной обмотки.
При изменении температуры меняются как линейные размеры металлического объекта,
так и проводимость его материала. В результате изменяются как глубина проникновения электромагнитного поля обмоток датчика в материал объекта, зависящая от проводимости материала, так и величина зазора (h) между датчиком и объектом. Поэтому жесткое приспособление для крепления датчика было доработано, чтобы исключить перечисленные неоднозначности и сохранить фиксированной величину зазора (рис. 3).
Это достигается путем помещения в зазор эталонных диэлектрических пластин с малым коэффициентом температурного расширения. Материалом пластин служит ситалл (температурный коэффициент расширения « 5• 10-7 К-1). Возникающие линейные расширения объекта и датчика компенсирует прижимная пружина. При этом абсолютная величина зазора между датчиком и имитатором объекта в цикле измерений остается постоянной во всем диапазоне варьируемой температуры. В следующем цикле измерений ступенчато изменяют величину зазора (h), а температуру внутри термостата варьируют в тех же пределах, что и в первом цикле. После нескольких циклов измерений получают массив дискретных отчетов, в которых содержится скрытая информация зависимости выходной характеристики датчика как от изменения величины зазора (h), так и от изменения собственных электрических параметров датчика в диапазоне варьируемых температур. Полученные данные для этого же датчика в приспособлении с прижимной пружиной отражены в табл. 3.
Как видно из приведенных таблиц, только доработка устройства крепления позволила значительно улучшить температурную погрешность датчика. В реальных условиях эксплуатации, когда датчик установлен на кожухе турбины, а головка датчика находится в масляно-жидкостной среде при температуре более 100 °С перед вращающимся валом достаточно сложно оценить температурную погрешность, поскольку температурному воздействию подвергаются как сам датчик, так и объект контроля. Соответственно меняются геометрические размеры как вала турбины, так и кожуха, на котором установлен датчик, а также электрофизические параметры объекта и самого датчика. Поэтому в практике измерений принято контролировать зазоры относительно установившегося режима после прогрева рабочей среды. В этом случае проведенные эксперименты показали, что температурная погрешность не превышает 3-5 % в диапазоне температур до 170 °С.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
105
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Таблица 3
Результаты температурных испытаний медно-манганинового датчика, полученные в приспособлении с прижимной пружиной
Температура, е С 20 100 140 150 160
ивых В зазор 1 мм (2 слоя ситалла) Погрешность, % 0,79 0,792 0,25 % 0,787 0,38 % 0,783 0,88 % 0,775 1,8 %
ивых, В зазор 1,5 мм (3 слоя ситалла) Погрешность, % 1,067 1,057 0,9 % 1,038 2,7 % 1,026 3,8 % 1,01 5,3 %
L
д
L
д
Рис. 4. Мостовая схема включения
Схемотехнические методы повышения температурной устойчивости предполагают компенсацию воздействия путем его выделения с помощью дополнительных каскадов электроники, а также использованием дополнительных (опорных, компенсационных) обмоток. Примером такой схемы может служить мостовая схема включения, приведенная на рис. 4. В этом случае обмотки Ьк и Lд одновременно подвергаются температурному воздействию и изменение межвит-ковой емкости и сопротивления проводов обмоток происходит в них одновременно. Измерение Яд рабочей обмотки датчика вызывает изменение амплитуды и фазы напряжения и разбаланса моста.
Вторую компенсирующую обмотку L можно использовать в качестве датчика температуры. Полученные данные о температуре среды используются для коррекции функции преобразования преобразователя. В однообмоточных датчиках данный метод можно применять путем размещения в нем термометра сопротивления. Примером такого датчика со встроенным термометром сопротивления служит проволочный датчик, разработанный нами для измерения осевого расширения ротора турбины.
Для компенсации температурной погрешности в датчик встроен платиновый термометр сопротивления PCA 1.2010.5M фирмы Jumo. Как показали проведенные испытания, выходная характеристика датчика при повышении температуры начинает менять угол наклона, величина которого, в конечном счете, зависит как от самой
температуры, так и от частоты тока возбуждения и параметров контура (рис. 5). Первоначально производится линеаризация выходной характеристики датчика с помощью кусочно-линейной аппроксимации в нормальных условиях. Для этого характеристика датчика V = f(l) 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 харак-теристикиM0 = (V00, V10 ... Vn0) при температуре t0. Как показали проведенные исследования, при повышении температуры характеристика датчика меняет тангенс угла наклона, оставаясь линейной (рис. 5б), хотя сама зависимость носит нелинейный характер (рис. 5 а) и тоже подвергается кусочно-линейной аппроксимации. В этом случае каждой 7-й точке температуры будет соответствовать свой массив M = (V, V,.... V ) = K. х M,, получаемый из исходного массива М0 перемножением всех членов массива на коэффициент K зависящий от температуры t и получаемый из выражения
K =
KV
V0
Коэффициенты KV и KV определяют тангенс угла наклона выходной характеристики соответственно для температур t. и t
Таким образом, с помощью датчика температуры определяется коэффициент наклона выходной характеристики, который высчитывается микроконтроллером по алгоритму на основе обработки калибровочных точек зависимости выходного напряжения на краю диапазона измерения от температуры. Испытания созданных образцов датчиков показали, что проведенная данным методом компенсация температурной погрешности позволила получить суммарную погрешность не более 2,5 % во всем диапазоне температур.
106
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Таблица 4
Зависимости индуктивности датчика от температуры
t, °С Печатный Ленточный Проволочный
R, Ом L, мкГн R, Ом L, мкГн R, Ом L, мкГн
20 1,63 11,4 1,11 35,35 3,11 54,9
50 1,7 11,4 1,18 35,36 3,34 54,9
75 1,81 11,4 1,21 35,36 3,61 54,9
100 1,95 11,3 1,29 35,38 3,86 54,93
125 2,07 11,3 1,37 35,41 4,1 54,97
150 2,2 11,3 1,45 35,45 4,38 54,99
U/U
В
Рис. 5. Зависимость выходного напряжения: а) от температуры для различных зазоров: А - h = 1 мм, о - h = 1,5 мм, □ - h = 2 мм; б) от зазора для различных температур: □ - t = 20 eC, о - t = 100 °C, А - t = 150 °C.
Наиболее устойчивой к температурным воздействиям является частотная схема преобразования, что обусловлено малой зависимостью индуктивности обмотки датчика Lд от температуры. Проведенные исследования зависимости индуктивности датчика от температуры показали, что изменение индуктивности датчика в диапазо-
не температур от 20 °С до 170 °С составило менее 1 % от номинального значения, что отражено в табл. 4.
Простейший пример схемы преобразователя с частотным выходом приведен на рис. 6.
Одним из преимуществ частотной схемы преобразования является также то, что выходной
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
107
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
сигнал является импульсным (уровень ТТЛ) и легко сопрягается с цифровыми схемами обмотки. Основные возникающие при этом проблемы:
- обеспечение устойчивого режима генерации при больших диапазонах измерения зазора h (от 0 до да);
- необходимость линеаризации выходной характеристики f = F(h).
Реализация этой функции на аналоговом уровне при помощи линейных элементов (диоды, логарифмирующие усилители, умножители) ведет, во-первых, к температурной нестабильности схемы и, во-вторых, к трудностям в настройке линейной характеристики для разных длин кабеля и типа материала объекта. Поэтому такие схемы целесообразно сопрягать с быстродействующими схемами цифровой обработки так, чтобы линеаризация характеристики велась со временем, значительно меньшим, чем время, обратное полосе пропускания датчика.
Для снижения зависимости активного сопротивления катушки от температуры был разработан датчик, катушка которого обмотана манганиновым проводом. Это позволило стабилизировать основные параметры датчика - индуктивность и омическое сопротивление, делая ненужной дополнительную компенсацию температурного воздействия на датчик. Однако при использовании манганинового датчика возникают дополнительные трудности, обусловленные большим омическим сопротивлением обмотки. При использовании схем возбуждения и обработки, рассмотренных выше (автоколебательного, генераторного), возникают трудности в обеспечении требуемой чувствительности вследствие невысокой добротности данного датчика. Повышение же рабочей частоты приводит к появлению дополнительных погрешностей от различного вида паразитных емкостей и индуктивностей (зависящих от температуры), что в конечном итоге может привести к появлению даже большей погрешности, чем для обычного датчика. Для решения этой проблемы было предложено использование манганинового датчика в схеме релаксационного генератора, выходным параметром которого является частота импульсов. Как показали проведенные исследования, в данной схеме могут быть получены достаточно низкие значения выходной частоты (несколько
сотен Гц) и приемлемое значение чувствительности при выборе параметров схемы, обеспечивающих устойчивую генерацию и хорошую чувствительность. Так, для манганинового датчика, имеющего параметры L = 29 мкГн, R = 28 Ом и значения С1 = 380 пФ, R1 = 510 Ом, R3 = 52 Ом в схеме релаксационного генератора, удалось получить изменение частоты генерации для медного объекта при h = да от f= 1,736 МГц до f = 1,077 МГц при h = 0, что составило 38 %. Для объекта из стали 45 изменение частоты было следующим: при h = 0 частота стала f = 1,344 МГц, т.е. изменение составило 22,5 %. Относительная погрешность при воздействии температуры до 170 еС составила величину порядка 5 %. Таким образом, предложенный метод позволяет использовать низкодобротный датчик, параметры которого слабо зависят от температуры, и получить достаточную чувствительность для исследуемого диапазона перемещения.
Заключение
1. Разработаны конструкции датчиков осевого перемещения вала роторов турбин со встроенным датчиком температуры и микропроцессорным блоком для расширения температурного диапазона работы до 170 еС. Разработана схема испытаний и 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.
2. Разработан метод снижения температурной погрешности вихретокового датчика, использующий включение катушки датчика из проволоки с малым ТКС (манганин) в схему релаксационного генератора.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 05-08-33486.
Библиографический список
1. Герасимов, В.Г Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий / В.Г. Герасимов, В.В. Клюев, В.Е. Шатерников. - М.: Энергоатомиздат, 1983.
2. Дорофеев, А.Л. Вихретоковые датчики / А.Л. Дорофеев. - М.: Энергия, 1977.
3. Виноградов, Ю.Д. Электронные измерительные системы для контроля малых перемещений / Ю.Д. Виноградов и др. - М.: Машиностроение, 1976.
108
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
