Устройство калибровки вихретоковых датчиков

Использование: измерительная техника, системы виброконтроля габаритных валов роторных машин. Сущность: устройство содержит термостат с варьируемым диапазоном температур и закрепленной на основании внутри него скобой с двумя соосными отверстиями. В одном из отверстий установлен узел крепления датчика, а в другом - узел крепления имитатора объекта со средством задания зазора между имитатором и датчиком. В зазор помещен набор эталонных по толщине диэлектрических пластин из материала с малым коэффициентом температурного расширения. Пружина прижимает имитатор объекта с эталонными пластинами к датчику. Регулирование зазора в каждом цикле измерений обеспечивает сменный набор пластин. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при конструировании систем виброконтроля габаритных валов роторных машин в энергетике, нефтегазовой промышленности и других областях.

Для контроля вибраций и перемещений вращающихся габаритных валов роторных машин нашли применение бесконтактные вихретоковые датчики [см., например, «Вихретоковый датчик», патент RU №2189585, 2002 г.; «Вихретоковый датчик перемещений», патент RU №2196960, 2003 г. - аналоги]. Такие датчики содержат обмотку возбуждения и две измерительные обмотки. Датчик устанавливается на станине с зазором (h) относительно буртика вала ротора из немагнитного материала. При перемещении вала измерительный буртик перемещается в плоскости, параллельной измерительной обмотке. Смещение буртика приводит к возмущению электромагнитного поля в области, охватываемой витками обмотки возбуждения, и появлению разностного сигнала во встречно включенных измерительных обмотках.

При изменении внешних условий среды (температуры), в которой эксплуатируется датчик, изменяются как величина зазора (h) между буртиком и датчиком, так и электрические параметры обмоток датчика (индуктивность, емкость, активное сопротивление). Эти обстоятельства требуют современных методов калибровки вихретоковых датчиков.

Известно «Устройство для калибровки измерителя линейных перемещений», А.С. СССР №1580152, 1988 г., G.01.B, 7/14 - аналог.

Устройство содержит установленную на основании скобу с двумя соосными отверстиями, в одном из которых установлен узел крепления калибруемого измерителя, в другом - узел задания эталонного перемещения с подвижным стержнем, узел крепления калибруемого измерителя выполнен в виде сменного цангового зажима, на наружной поверхности цангового зажима размещен электронагреватель.

Недостатками аналога являются:

- устройство не может быть использовано для калибровки бесконтактных датчиков, у которых между измеряемым объектом и датчиком всегда существует зазор;

- принцип измерений аналога не учитывает возможность одновременных изменений линейных размеров как калибруемого измерителя, так и объекта при изменении температуры.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Устройство для калибровки электромагнитных датчиков перемещения» по А.С. СССР №1108854, 1983 г., G01B 7/00.

Устройство содержит термостат, выполненный в виде герметичного корпуса с размещенными внутри него узлом крепления с гнездами для установки датчиков и штуцерами для подвода и отвода рабочей среды и средством для задания рабочего зазора, выполненного виде диска с возможностью его вращения, с размещенными по его окружности имитаторами контролируемого объекта - выступами требуемой высоты, а оси подводящих штуцеров расположены по касательной к окружности размещения выступов.

К недостаткам ближайшего аналога можно отнести:

- принцип измерений не учитывает изменение линейных размеров имитаторов контролируемого объекта при вариации температур;

- калибровочная характеристика не позволяет однозначно разделить зависимость выходного параметра или от изменения характеристик датчика или от изменения величины зазора при вариации температуры.

Задачей изобретения является повышение точности калибровочной характеристики путем учета, при вариации температур, изменений как собственных электрических параметров датчика, так и величины зазора между датчиком и объектом.

Технический результат достигается тем, что в устройстве калибровки вихретоковых датчиков, содержащем термостат с варьируемым диапазоном температур и закрепленной на основании внутри него скобой с двумя соосными отверстиями, в одном из которых установлен узел крепления датчика, а в другом - узел крепления имитатора объекта со средством задания зазора между имитатором и датчиком, дополнительно в зазор помещен набор эталонных по толщине диэлектрических пластин из материала с малым коэффициентом температурного расширения, при этом линейное расширение имитатора объекта и датчика компенсирует пружина, прижимающая имитатор объекта с эталонными пластинами к датчику, а регулирование зазора в каждом цикле измерений обеспечивает сменный набор эталонных пластин.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - функциональная схема устройства;

фиг.2 - нормированная выходная характеристика вихретокового датчика;

фиг.3 - семейство полученных калибровочных характеристик датчика:

а) в функции температуры при h=const, б) в функции величины зазора при t°=const.

Заявляемое устройство (фиг.1) содержит термостат (1) с электронагревателем (2), средство контроля температуры внутри термостата в составе термопары (3) и измерителя (4), помещенную внутрь термостата и закрепленную на основании скобу (5) с узлом крепления (6) датчика (7), узел крепления имитатора объекта (8), прижимной пружиной (9) и средством задания величины зазора - микрометром (10), образец имитатора объекта (11), набор эталонных по толщине диэлектрических пластин (12).

Устройство функционирует следующим образом. При изменении температуры, вследствие линейного расширения обмоток датчика, изменяются электрические параметры датчика: индуктивность L, активное сопротивление R_a, паразитная емкость С_п, что приводит к изменению эквивалентного сопротивления контура измерительных обмоток.

Одновременно, при изменении температуры меняются как линейные размеры имитатора объекта (11), так и активное сопротивление его материала. В результате изменяются как глубина проникновения электромагнитного поля обмоток датчика в материал имитатора, зависящая от проводимости материала, так и величина зазора (h) между датчиком и имитатором.

Чтобы исключить перечисленные неоднозначности калибровку датчика проводят при фиксированной величине зазора. Последнее достигается путем помещения в зазор эталонных диэлектрических пластин (12) с малым коэффициентом температурного расширения. Материалом пластин служит ситалл (температурный коэффициент расширения ≈5·10^-7 К^-1). Возникающие линейные расширения имитатора объекта и датчика компенсирует прижимная пружина (9). 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 (фиг.2) как от изменения величины зазора (h), так и от изменения собственных электрических параметров датчика в диапазоне варьируемых температур.

Фрагмент массива полученных данных измерений иллюстрируется таблицей 1.

Таблица 1
t, °С	20°С	50°С	80°С	110°С	170°С
h, мм
0,5 мм	0,5	0,53	0,55	0,57	0,6
1,0 мм	1	1,03	1,05	1,08	1,1
2,0 мм	2	2,08	2,16	2,22	2,3
2,5 мм	2,5	2,6	2,7	2,8	2,9

Функциональную зависимость калибровочной характеристики от параметров (h) и (t°) получают интерполированием [см., например, Г.Корн, Т.Корн. «Справочник по математике для научных работников и инженеров», Изд-во Наука, Физматгиз, М., 1970 г. Интерполирование функций нескольких переменных, стр.596]. Исходя из физического смысла, калибровочная функция должна быть непрерывной (не иметь разрывов) и монотонной. В соответствии с рекомендациями математического института им. Стеклова (РАН) при интерполировании целесообразно использовать степенные функции вида:

Для чего для начала, конца и середины интервала отсчетов (табл.1) записывают систему уравнений:

Логарифмированием, представленная система сводится к системе линейных уравнений. Для решения системы линейных уравнений вычисляют определитель системы (Δ) и его алгебраические дополнения:

Вычисление матриц осуществляют по правилу Крамера. Значения неизвестных находят из соотношений:

В частности для вихретокового датчика ДБ2-18 и массива измерений, представленных в таблице 1, получены значения: х=1,05, у=0,075, U₀=0,5. Откуда аналитическое выражение калибровочной характеристики имеет вид:

На графиках фиг.3 представлено семейство калибровочных характеристик датчика:

а) изменение выходного параметра датчика в диапазоне температур при зазоре h=const.

б) изменение выходного параметра датчика в диапазоне зазоров при температуре t°=const.

Новыми элементами измерителя по отношению к аналогам являются:

- набор эталонных по толщине диэлектрических пластин из материала с малым коэффициентом линейного расширения типа ситалл (см., например, «Физические величины», справочник, М., Энергоатомиздат, 1991 г., стр.238);

- имитаторы объектов, материал для валов - Сталь 20Х13 [см. ГОСТ 5632-72];

- прижимная пружина [см., например, «Справочник машиностроителя», М., ГНТИМЛ, 1963 г., т.4 (II), стр.701].

Заявляемое устройство калибровки вихретоковых датчиков обеспечивает повышение точности калибровочной характеристики на ≈12% по сравнению с методом без эталонной фиксации зазора в цикле измерений.

Устройство калибровки вихретоковых датчиков, содержащее термостат с варьируемым диапазоном температур и закрепленной на основании внутри него скобой с двумя соосными отверстиями, в одном из которых установлен узел крепления датчика, а в другом - узел крепления имитатора объекта со средством задания зазора между имитатором и датчиком, отличающееся тем, что в зазор помещен набор эталонных по толщине диэлектрических пластин из материала с малым коэффициентом температурного расширения, при этом линейное расширение имитатора объекта и датчика компенсирует пружина, прижимающая имитатор объекта с эталонными пластинами к датчику, а регулирование зазора в каждом цикле измерений обеспечивает сменный набор пластин.