Измеритель линейных перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования при измерении, в частности, перемещений металлических деталей роторных машин. Устройство содержит дифференциальный вихретоковый преобразователь с обмоткой возбуждения и измерительными обмотками, дифференциальный усилитель, фазовый детектор, индикатор и генератор. Кроме того, в него введены аналоговый перемножитель, масштабный усилитель, блок вычитания и первый источник опорного напряжения. Генератор включает в себя второй источник опорного напряжения и выполнен по схеме стабилизированного по амплитуде LC-автогенератора, причем в цепь положительной обратной связи его усилителя включены параллельно соединенные обмотка возбуждения вихретокового преобразователя и конденсатор. Блок вычитания воспринимает сигналы от блока стабилизации амплитуды колебаний и первого источника опорного напряжения. Аналоговый перемножитель оперирует с выходными сигналами фазового детектора и усиленными масштабным усилителем сигналами с выхода блока вычитания. Устройство характеризуется повышенной точностью измерения перемещения объекта за счет учета зазора между ним и датчиком. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений металлических деталей роторных машин, например, в энергетике, нефтегазовой промышленности и т.п.

Известен вихретоковый толщиномер, содержащий вихретоковый преобразователь, генератор, подключенный к нему колебательный контур, в качестве индуктивности которого используется вихретоковый преобразователь, последовательно соединенный детектор, подключенный к колебательному контуру (а.с. СССР N 1504492, G 01 B 7/06, 1988 г.). Приближение металлического объекта к вихретоковому преобразователю приведет к увеличению потерь в его колебательном контуре, что, в свою очередь, приводит к уменьшению электрического сигнала на выходе детектора и соответственно на выходе блока индикации. Этот однообмоточный измеритель имеет нелинейную характеристику измерения за счет нелинейно меняющейся от расстояния электромагнитной связи колебательного контура с контролируемым объектом. Кроме того, этот измеритель "не чувствует" перемещения металлического объекта вдоль своей поверхности, когда расстояние (зазор) между ними не меняется.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа измеритель перемещений, содержащий дифференциальный индуктивный датчик, измерительные обмотки которого подключены к входам дифференциального усилителя, выход которого подключен к измерительному входу фазового детектора. Обмотка возбуждения датчика подключена к выходу генератора возбуждения и к входу фазовращателя, выход которого подключен к управляющему входу фазового детектора, выход которого соединен с индикатором, (а.с. РФ N 2036413, G 01 B 7/00, 27.05.98 г.).

Дифференциальный индуктивный датчик состоит из прямоугольного корпуса, выполненного из металлического немагнитного материала. С открытой стороны корпуса датчика помещены прямоугольная обмотка возбуждения и две прямоугольные одинаково выполненные измерительные обмотки, включенные навстречу друг другу. Они расположены симметрично по краям обмотки возбуждения в параллельных плоскостях с ней. Ширина измерительных обмоток примерно равна ширине обмотки возбуждения, а их длина не превышает половины ее длины. Металлический контролируемый объект установлен с возможностью перемещения вдоль открытой части датчика и на некотором расстоянии относительно него.

Металлический объект, перемещаясь параллельно плоскости обмотки возбуждения, "возмущает" электромагнитное поле в пределах, охватываемых витками обмотки возбуждения, что приводит к появлению разностного электрического сигнала, вырабатываемого встречно включенными измерительными обмотками. Величина этого разностного сигнала тем больше, чем больше смещение контролируемого объекта от середины датчика к его краям. Максимальное перемещение объекта, контролируемое датчиком, определяется разностью между длиной обмотки возбуждения и шириной контролируемого объекта.

Разностный сигнал усиливается дифференциальным усилителем, детектируется фазовым детектором и регистрируется индикатором. Фазовращатель позволяет скомпенсировать набег фазы, возникающий между синусоидальным напряжением генератора и синусоидальным напряжением на выходе дифференциального усилителя.

Данный измеритель линейных перемещений по сравнению с предыдущим устройством имеет больший диапазон измерения и более высокую линейность между перемещением и выходным сигналом датчика за счет перемещения контролируемого объекта вдоль плоскости датчика и за счет дифференциального включения его измерительных обмоток. Однако при изменении (увеличении) расстояния (зазора) между датчиком и контролируемым объектом происходит изменение (ослабление) электромагнитной связи между катушкой возбуждения датчика и объектом, что приводит к изменению (уменьшению) чувствительности датчика и возникновению погрешности измерения линейного перемещения контролируемого объекта.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности измерения линейного перемещения объекта за счет измерения зазора между ним и датчиком.

Поставленная задача решается за счет того, что в измеритель линейных перемещений, содержащий дифференциальный вихретоковый преобразователь, измерительные обмотки которого подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального усилителя, фазовый детектор, измерительный вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а управляющий вход - с выходом фазовращателя, индикатор и генератор, введены аналоговый перемножитель, первый вход которого подключен к выходу фазового детектора, а выход - к индикатору, усилитель, блок вычитания и первый источник опорного напряжения, подключенный к первому входу блока вычитания, выход блока вычитания через усилитель подключен к второму входу аналогового перемножителя, генератор выполнен по схеме стабилизированного по амплитуде LC-автогенератора, в цепь положительной обратной связи усилителя автогенератора включены параллельно соединенные обмотка возбуждения вихретокового преобразователя и конденсатор, первый вход блока стабилизации амплитуды колебаний подключен к выходу усилителя автогенератора и входу фазовращателя, второй вход - к второму источнику опорного напряжения, первый выход блока стабилизации амплитуды колебаний подключен к цепи отрицательной обратной связи усилителя автогенератора, а второй выход - к второму входу схемы вычитания.

На фиг. 1 приведена функциональная схема измерения линейных перемещений, а на фиг. 2 показана конструкция вихретокового преобразователя.

Измеритель линейных перемещений (фиг. 1) содержит дифференциальный вихретоковый преобразователь 1, измерительные обмотки 2, 3, которого подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального усилителя 4, фазовый детектор 5, измерительный вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя 4, а управляющий вход - с выходом фазовращателя 6. Измеритель линейных перемещений также содержит индикатор 7, генератор 8 и аналоговый перемножитель 9, выход которого подключен к индикатору 7. Первый вход аналогового перемножителя 9 подключен к выходу фазового детектора 5, а второй вход - к выходу усилителя 10, вход которого подключен к выходу блока вычитания 11. Первый вход блока вычитания 11 соединен с источником опорного напряжения 12. Генератор 8 выполнен по схеме стабилизированного по амплитуде LC-автогенератора, в цепь положительной обратной связи усилителя автогенератора 13 включены параллельно соединенные обмотка возбуждения 14 вихретокового преобразователя 1 и конденсатор 15. Первый вход блока стабилизации амплитуды колебаний 16 подключен к выходу усилителя автогенератора 13 и входу фазовращателя 6, второй вход - к второму источнику опорного напряжения 17. Первый выход блока стабилизации амплитуды колебаний 16 подключен к цепи отрицательной обратной связи усилителя автогенератора 13, а второй выход - к второму входу схемы вычитания 11.

Дифференциальный вихретоковый преобразователь 1 (фиг. 2) содержит прямоугольный корпус 18, изготовленный из металлического немагнитного материала. С открытой стороны корпуса 18 расположены прямоугольная обмотка возбуждения 14 и две прямоугольные одинаково выполненные измерительные обмотки 2, 3, включенные навстречу друг другу. Они расположены симметрично по краям обмотки возбуждения 14 в параллельных плоскостях с ней. Ширина измерительных обмоток 2, 3 не превышает ширины обмотки возбуждения 14, а их длина не превышает половины ее длины.

Металлический контролируемый объект 19 установлен с возможностью перемещения вдоль открытой части корпуса 18 преобразователя 1 и на некотором расстоянии h относительно него.

Измеритель линейных перемещений работает следующим образом. Металлический объект 19, перемещаясь параллельно плоскости обмотки возбуждения 14, "возмущает" электромагнитное поле в пределах, охватываемых витками обмотки возбуждения 14, что приводит к появлению разностного сигнала, вырабатываемого встречно включенными измерительными обмотками 2, 3. Величина этого разностного сигнала тем больше, чем больше смещение A контролируемого объекта 19 от середины обмотки возбуждения 14 к ее краям. Максимальное перемещение A_max объекта 19, контролируемое преобразователем 1, определяется разностью между длиной обмотки возбуждения 14 и шириной контролируемого объекта 19.

Разностный сигнал усиливается дифференциальным усилителем 4, детектируется фазовым детектором 5 и поступает на первый вход аналогового перемножителя 9. Уменьшение зазора h между контролируемым объектом 19 и вихретоковым преобразователем 1 приводит к увеличению электромагнитной связи между ними, что приводит к увеличению потерь в колебательном контуре, образованном обмоткой возбуждения 14 и конденсатором 15. Амплитуда колебаний на обмотке возбуждения 14, а следовательно, и на выходе усилителя автогенератора 13 начинает уменьшаться, это приводит к появлению разностного напряжения на входах блока стабилизации амплитуды колебаний 16. В результате на его обоих выходах изменяются управляющие напряжения. Управляющее напряжение с первого выхода блока стабилизации амплитуды 16 поступает на инвертирующий вход усилителя автогенератора 13 и увеличивает его усиление до уровня, при котором разность напряжений на входах блока стабилизации амплитуды колебаний 16 не уменьшится до нуля. При этом амплитуда колебаний на выходе автогенератора 13 вновь станет равной напряжению на выходе источника опорного напряжения 17. Управляющее напряжение второго выхода блока стабилизации 16 поступает на второй вход блока вычитания 11. Так как к второму входу блока вычитания 11 приложено напряжение источника опорного напряжения 12, то на его выходе выделяется приращение сигнала управления, пропорциональное приращению h зазора h. После усиления масштабным усилителем 10 оно поступает на второй вход аналогового переключателя 9.

В то же время уменьшение зазора h приводит к увеличению чувствительности вихретокового преобразователя 1 к продольному перемещению А контролируемого объекта 19, что приводит к пропорциональному увеличению напряжения на первом входе аналогового перемножителя 9 при неизменном значении продольного перемещения А. Так как на втором входе аналогового перемножителя 9 при этом происходит уменьшение напряжения, пропорциональное уменьшению зазора h, то выходное напряжение аналогового перемножителя 9, равное произведению напряжений на его первом и втором входах, остается неизменным.

Таким образом, напряжение на выходе аналогового перемножителя 9, а следовательно, и показания индикатора 7 не зависят от изменений зазора h между контролируемым объектом 19 и вихретоковым преобразователем 1, сохраняя чувствительность измерителя линейных перемещений к продольным перемещениям А независимо от изменений зазора h между контролируемым объектом 19 и вихретоковым преобразователем 1. Это существенно повышает точность измерений линейных перемещений, а следовательно, и надежность контроля безопасных перемещений подвижных объектов.

Формула изобретения

Измеритель линейных перемещений, содержащий дифференциальный вихретоковый преобразователь, измерительные обмотки которого подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального усилителя, фазовый детектор, измерительный вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя, а управляющий вход - с выходом фазовращателя, индикатор и генератор, отличающийся тем, что в него введены аналоговый перемножитель, первый вход которого подключен к выходу фазового детектора, а выход - к индикатору, усилитель, блок вычитания и первый источник опорного напряжения, подключенный к первому входу блока вычитания, выход которого через усилитель подключен ко второму входу аналогового перемножителя, при этом генератор выполнен по схеме стабилизированного по амплитуде LC-автогенератора, в цепь положительной обратной связи усилителя автогенератора включены параллельно соединенные обмотка возбуждения вихретокового преобразователя и конденсатор, первый вход блока стабилизации амплитуды колебаний подключен к выходу усилителя автогенератора и входу фазовращателя, второй вход - ко второму источнику опорного напряжения, первый выход блока стабилизации амплитуды колебаний подключен к цепи отрицательной обратной связи усилителя автогенератора, а второй выход - ко второму входу схемы вычитания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2