CC BY
19
дения ООО «ИЦ «Энергоаудитконтроль» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.elec.ru/articles/problemy-vybora-ogranichitelej-perenaprya-zhenij-dl/.
2. ГОСТ Р 52725-2007. Ограничители перенапряжений нелинейные для электроустановок переменного тока напряжением от 3 до 750 кВ: утв. Постановлением Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии 08.06.2007: ввод. в действие с 08.06.2007. - М.: Стандартин-форм, 2007. - 37 с.
3. Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 110-750 кВ: утв. Департаментом стратегии развития и научно-технической политики РАО «ЕЭС России» 30.09.99 г. - М., 1999. - 36 с.
4. Рекомендации по выбору и применению ограничителей перенапряжений для оптимальной защиты электрооборудования / ЗАО «ЗЭТО». - Великие Луки, 2000.
5. Дмитриев М.В. Применение ОПН в электрических сетях 6-750 кВ: к.т.н. / ЗАО «Завод энергозащитных устройств».
6. Ограничители перенапряжений нелинейные: техническая информация / Таврида электрик. - М., 2015. - 31 с.
СИЛОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК © Антонова Т.А.*
Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых,
г. Владимир
Предложены основные технические решения по созданию силоиз-мерительного датчика для контроля крупных инженерных сооружений. Датчик струнного типа, информация передается запросом по двухпроводной линии в виде частоты. Дополнительная информация - состояние исходной настройки. Датчик конструктивно прост и не требует текущего обслуживания.
Ключевые слова датчик, сила, струна, свободные колебания, частота, электромагнит.
Крупные инженерные сооружения требуют постоянного контроля их состояния. Для этого создаются сложные системы из множества датчиков [1]. В силоизмерительных датчиках систем контроля используют различные преобразователи - тензометрические [2], пьезокварцевые [3]. Наибольшее при-
* Студент кафедры Технологического и экономического образования, студенческое конструкторское бюро «Хронос». Научный руководитель: Шарыгин Л.Н., профессор ВлГУ.
менение находят датчики частотного типа, в частности струнные [4, 5]. Преимуществом частотных (струнных) датчиков является частотный сигнал, который с высокой надежностью квантуется для последующей цифровой обработки. Однако для струнных датчиков характерно, что по причинам старения материалов и «выползания» струны из заделки, исходная настройка со временем смещается. Для поддержания достоверности результата измерения в сложных системах с удаленными датчиками необходим дистанционный контроль исходной настройки.
Предлагаем конструкцию силоизмерительного датчика, который обеспечивает высокую достоверность результата измерения - рис. 1-3.
14 15 10 11 12 Рис. 1. Конструктивная схема датчика
Чувствительным элементом датчика силы является струна 1, выполненная в виде плоской ленты из магнитопроводного материала. Струна размещена внутри корпуса 2 (на чертеже показан штриховкой).
Верхнее крепление струны (здесь и далее ориентация чертежа) выполнено следующим образом. В корпусе по контуру закреплена мембрана 3 имеющая жесткий центр, который образуют:
- втулка 4, имеющая центральное сквозное отверстие квадратного сечения, закрепленная в центральном отверстии мембраны заволь-цовкой;
- подвижный зажим струны, в основе которого корпус зажима 5, имеющий хвостовик квадратного сечения с резьбовым отверстием входящий в квадратное отверстие втулки 4. В корпусе зажима выпол-
нен паз, в котором размещена накладка 6. Плоское дно паза совместно с накладкой и винтами 7 накладки образуют тисковое крепление струны. Для удобства первичного монтажа, в корпусе зажима от верхней кромки паза до резьбового отверстия выполнено отверстие диаметром несколько превышающим диагональ сечения струны. Втулка 4 и корпус зажима 5 соединены винтом 8.
С жестким центром соединен переходник 9, через который передается измеряемая сила. Переходник закреплен на втулке 4 с помощью резьбы.
Обратимся к нижнему креплению струны. Имеется подвижный элемент 10 в виде двуплечего поворотного рычага с осью вращения 11. Рычаг 10 выполнен из магнитопроводимого материала. Первое плечо рычага соединено с концом струны посредством накладки 12 и винтом 13. Накладка установлена в пазу первого плеча рычага. От нижней плоскости этого паза выполнено сквозное технологическое отверстие для струны по аналогии с отверстием для струны в корпусе зажима 5. Таким образом, нижнее крепление струны тоже тисковое. В состав подвижного элемента входит сто -пор и электромагнит рычага, которые размещены по разные стороны второго плеча рычага. Стопор на рис. 1 представлен винтом 14 и контргайкой 15. Электромагнит рычага имеет магнитопровод 16 и обмотку 17 и установлен в корпусе с образованием зазора, обеспечивающего поворот рычага 10.
Для возбуждения колебаний струны и получения измерительного сигнала предусмотрен электромагнит струны, состоящий из поляризованного магнитопровода 18 и обмотки 19. Поляризованный магнитопровод выполнен либо из магнитотвердого материала, либо составлен из постоянного магнита с полюсными наконечниками магнитных полюсов N и S. Электромагнит струны закреплен на корпусе в зоне средней части струны.
I Е
Рис. 2. Разрез I по рис. 1
Рис. 3. Электрическая схема датчика силы
В конструкции датчика силы предусмотрен ограничитель 20 в форме скобы, который верхним отогнутым концом винтами 21 снизу закреплен на корпусе 5 подвижного зажима струны. Второй отогнутый конец ограничителя размещен в зоне конца первого плеча двуплечего поворотного рычага 10, таким образом, обеспечивается ограничение поворота рычага 10 (по часовой стрелке).
В соответствии с электрической схемой датчика силы (рис. 3) внутри корпуса 2 закреплен электрический конденсатор С (на рис. 1 не показан). В целом, датчик силы герметизирован. Вопросы герметизации, фиксации винтов, в частности винта 8, подвижного соединения переходника с корпусом являются типовыми и здесь не рассматриваются.
При сборе датчика силы его настраивают на исходную частоту струны /0, которая определяется параметрами струны и силой предварительного натяжения Е0. При сравнительно длинной струне и расположением возбуждающей силы в средней ее части получается первая форма колебаний (струна колеблется с образованием одной волны). Начальная собственная частота колебаний [7].
Г -1 1К-^ 1К т
Л т1 4ж\ т1' ^
где т, I - соответственно масса и длина струны;
ю0 2 я/ круговая частота.
В процессе настройки изменяют силу предварительного натяжения Е0 с помощью винта 8 жесткого центра мембраны и винты 14 стопора двуплечего поворотного рычага. По окончании настройки первое плечо (правое по чертежу) двуплечего поворотного рычага будет опираться на отгиб ограничителя 20, т.е. зазор Д по рис. 1 будет равен нулю. При этом мембрана 3 будет иметь начальный прогиб 50 - смещение жесткого центра [6].
* 41 • <2>
где „ =
Е Нъ
Б = —,м м .— цилиндрическая жесткость мембраны;
12 (1 -М )
Я3, Я4 - соответственно внешний радиус мембраны 3 и внешний радиус (радиус закольцовки) втулки 4;
Ем, Ьм, М - соответственно модуль упругости первого рода материала мембраны, ее толщина и коэффициент Пуассона.
Контроль начальной настройки ведут следующим образом. Подают на вход-выход E (см. рис. 3) короткий прямоугольный импульс (миллисекунд-ный диапазон), за счет которого струна получает некоторое отклонение и переходит в режим свободных колебаний. При колебаниях изменяется зазор между струной и поляризованным магнитопроводом 18 электромагнита струны, что приводи к изменению магнитного потока и появлению индукционной ЭДС. Заметим, что амплитуда ЭДС кажется сравнительно большой за счет поляризации магнитопровода электромагнита струны 18. Большая величина амплитуды ЭДС обеспечивает надежность и достоверность результата измерения частоты (либо обратной величины - периода колебаний).
Рассмотрим происходящие процессы подробнее с использованием электрической схемы - рис. 3. Электромагнит рычага на электрической схеме отражен индуктивностью Lp обмотки 17 и ее активным сопротивлением Rp. Аналогично электромагнит струны представлен индуктивностью Lc и активным сопротивлением обмотки 19 - Rc. Как было отмечено выше последовательно с обмоткой 19 включен конденсатор C. Таким образом, образованы две параллельные цепи. Одна, объединенная точка образует общую шину. А вторая точка E является электрическим входом-выходом датчика силы.
Цепь электромагнита струны представляет собой последовательный колебательный контур с круговой частотой
1
ю =Жс (3)
и добротностью
Полоса пропускания контура
2Дю = a — ю
эс эс max эс min (5)
определяется добротностью контура
2Дюх =юг.. (6)
Вторая ветвь электрической схемы является апериодическим звеном и характеризуется постоянной времени
L
7 = —, (7)
p RP
где Lp - индуктивность обмотки 17 электромагнита рычага;
Rp - активное сопротивление обмотки 17.
Рассмотрим прохождение короткого длинного прямоугольного импульса длительностью tu подаваемого на вход-выход E - ситуация контроля начальной настройки.
Прямоугольный импульс может быть разложен в гармонический ряд Фурье. Этому разложению соответствует сплошной («белый») спектр. Гармоники спектра в пределах полосы пропускания (4) имеют большую амплитуду. Пусть начальные параметры соответствуют условию - см. формулы (1) и (5)
со = с, (8)
эс max 0' V"/
тогда произойдет резонансное возбуждение струны на круговой частоте а>0.
После окончания импульса tu точка E подключена к измерителю частоты.
Положим, что соблюдено условие
Гр» tu. (9)
Тогда за время действия импульса tu ток в цепи катушки 17 электромагнита рычага практически оказывается ничтожно малым, следовательно, магнитное взаимодействие с рычагом 10 будет отсутствовать, т.е. двуплечий поворотный рычаг останется в исходном положении на стопоре 14.
Реализуются отмеченные выше условия (7), (8) подбором величины емкости C и параметров электромагнитов.
Рассмотрим процедуру при прохождении отрицательного импульса tu. Отрицательный импульс организуем следующим образом. Подадим на вход-выход E постоянное напряжение U, затем прервем это напряжение на время tu.
В момент включения фронт напряжения даст короткий дифференцированный импульс тока по цепи LcRcC, за счет которого будут обеспечены свободные колебания струны с малой начальной амплитудой, следовательно с малым временем t3am затухания колебаний. Принято, что переходные процессы в цепях с реактивностью заканчиваются за время, равное трем постоянным времени цепи. В рассматриваемом случае ток в цепи катушки 17 электромагнита рычага достигнет номинального значения
, U
In=Y (10)
за время
t17 =^Тр. (11)
С учетом отмеченного выше замечания будем полагать, что за это же время прекратятся затухающие колебания струны, т.е.
tam < ti7. (12)
По исходному условию в момент времени превышающий t17 прервем питающее напряжение U на время tu, что соответствует отрицательному пря-
моугольному импульсу длительностью и Разложение Фурье не зависит от знака импульса, спектр частот остается прежним.
Следовательно, отрицательный импульс 4 обеспечит такое же возбуждение свободных колебаний струны, как и положительный, рассмотренный выше. Но здесь изменилась ситуация с двуплечим поворотным рычагом. Номинальный ток (10) электромагнита рычага 10 обеспечит достаточную силу взаимодействия, и рычаг будет стремиться поворачиваться. Поворот рычага возможен только до механического контакта с ограничителем 20.
Изложенное рассмотрение позволяет сделать выводы:
1. Положительный и отрицательный прямоугольные импульсы оказывают одинаковое возбуждение свободных колебаний струны.
2. В случае положительного импульса поворотный двуплечий рычаг остается в исходном положении - на стопоре.
3. В случае отрицательного импульса поворотный двуплечий рычаг прижат к ограничителю.
Работа датчика силы. Устанавливают датчик силы на объекте таким образом, чтобы измеряемая сила ¥и воздействовала на переходник 9 в основном направлении.
Под действием измеряемой силы ¥и увеличится предварительный прогиб мембраны 3, т.е. жесткий центр сместится вниз. Совместно с жестким центром сместится вниз ограничитель 20. При этом будет потерян механический контакт ограничителя с рычагом 10. В случае длинной струны появится некоторый зазор Д. Текущее значение силы натяжения струны составит
Передаточная функция датчика силы будет иметь вид с учетом формул
Диапазон измерения определяется полосой пропускания контура - формула (5). Нижняя граница ¥и тЫ диапазона измерения соответствует циклической частоте ас тах а верхняя - частоте ас тЫ. Верхняя граница диапазона измерения может быть увеличена за счет повышения чувствительности вторичного прибора.
Достоверный результат измерения получают в три этапа:
(13)
(14)
(13), (14)
- 4тЩ
(15)
1. От вторичного прибора на вход-выход Е датчика силы дают положительный прямоугольный импульс и Непосредственно после окончания этого импульса измеряют частоту /и и вычисляют по формуле (14) измеряемую силу.
2. Производят контроль текущего состояния датчика силы по величине силы предварительного натяжения Е0. Для этого от вторичного прибора на вход-выход Е датчика силы дают отрицательный прямоугольный импульс. При этом рычаг 10 поворачивается и опирается на нижний отгиб ограничителя 20, обеспечивая исходную длину струны. По окончании отрицательного импульса измеряют собственную частоту настройки /0.
3. Если результат по п. 2 не равен паспортному значению /0, то производят пересчет результата измерения, полученного в п. 1, по формуле (15).
Таким образом, предлагаемый датчик силы может работать в удаленном доступе при двухпроводной линии связи, обеспечивает необходимую достоверность результата измерения за счет контроля его текущего состояния и большой амплитуды генерируемой ЭДС.
Список литературы:
1. Система дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерно-строительных сооружений. Патент RU 2473843 МПК G01L 1/16 / В.М. Дикарев, П.Б. Сажин, О.В. Смольников и др. Опубл. 27.01.2013.
2. Измерительная вставка. Патент RU 2458326 МПК G01L 1/04 / М.И. Затравкин, Л.С. Каминский, И.А. Пятницкий и др. Опубл. 10.08.2012.
3. Чувствительный элемент датчика линейных сил сжатия - растяжения. Патент RU 2459188 МПК G01L 1/16 / В.А. Калинин, В.А. Шубарев, М.А. Волкова, С.В. Чайчук. Опубл. 20.08.2012.
4. Способ и устройство извлечения информации о напряженно-деформированном состоянии гидротехнических сооружений. Патент ЯИ 2280846 МПК G01L 1/10 / Г.Я. Шайдуров, В.В. Гондарев, Г.С. Мякотин и др. Опубл. 27.07.2006
5. Струнный датчик силы. Патент RU 2042121 МПК G01L 1/10 / Д.Т. Шахматов, Е.Д. Шахматов. Опубл. 20.08.1995.
6. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов / Л.Е. Андреева. - М.: Машгиз, 1962. - 456 с.
7. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Е.П. Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979. - 480 с.
