RU2231020C1

RU2231020C1 - Eddy current load simulator

Info

Publication number: RU2231020C1
Application number: RU2003115746/28A
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Давыдов (RU); В.Ф. Давыдов; Ю.П. Батырев (RU); Ю.П. Батырев; А.С. Машков (RU); А.С. Машков; О.К. Чернобровина (RU); О.К. Чернобровина
Original assignee: Московский государственный университет леса
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-06-20

Abstract

FIELD: measurement technology; certification of eddy current sensors used for monitoring linear displacement and level of vibration of rotary machines.

SUBSTANCE: functional circuit of proposed simulator includes three identical calibration channels X, Y and Z. Each channel has winding shunting the drain-source of field-effect transistor through junction. Field-effect transistors work in complex resistance modes. Simulation vibrosignal is furnished to transistor gates. In channel Y, simulation vibrosignal is furnished to transistor gate through phase shifter at range of control of phase relative to channel X from 0 to π°. Work of field-effect transistors in complex resistance modes extends range of linearity of simulation characteristic of simulator.

EFFECT: possibility of calibration of amplitude frequency characteristic of primary eddy current sensor in wide range of vibrations and clearances.

3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при аттестации вихретоковых датчиков контроля линейных перемещений и уровня вибрации роторных машин в энергетике, нефтегазовой промышленности и других областях. Известен класс вихретоковых датчиков [см. патенты RU № 2189585, 2002 г., № 2196960, 2003 г. - аналоги], у которых для расширения диапазона измерения и обеспечения линейности статической характеристики чувствительный элемент датчика выполнен из двух симметричных измерительных обмоток, включенных дифференциально, и обмотки возбуждения (ОВ), слои намоток которой чередуются со слоями измерительных обмоток. Выделение параметров вибропроцесса из регистрируемого сигнала датчика осуществляется блоком обработки. Общим недостатком вихретоковых датчиков являются ограничения по величине зазора между чувствительным элементом датчика, устанавливаемым неподвижно на станине, и вращающимся валом объекта измерений. В процессе аттестации системы измерений возникает необходимость контроля как статических параметров - величины зазора, смещения вдоль зазора, так и динамических параметров - амплитудно-частотных характеристик. Калибровку вибродатчиков осуществляют на вибростендах. Для вихретоковых датчиков такой метод неприемлем.The invention relates to measuring technique and can be used in the certification of eddy current sensors for monitoring linear displacements and vibration levels of rotary machines in the energy sector, oil and gas industry and other fields. The class of eddy current sensors is known [see patents RU No. 2189585, 2002, No. 2196960, 2003 - analogues], in which to expand the measuring range and ensure the linearity of the static characteristic, the sensor element of the sensor is made of two symmetric measuring windings connected differentially, and an excitation winding (OV), layers of windings which alternate with layers of measuring windings. The selection of the vibration process parameters from the recorded sensor signal is carried out by the processing unit. A common drawback of eddy current sensors is the limitations on the gap between the sensor element of the sensor, which is mounted motionless on the bed, and the rotating shaft of the measurement object. In the process of certification of a measurement system, there is a need to control both static parameters - the size of the gap, displacement along the gap, and dynamic parameters - amplitude-frequency characteristics. Calibration of vibration sensors is carried out on vibration stands. For eddy current sensors, this method is not acceptable.

Базовая комплектация измерительных средств для аттестации вихретоковых датчиков, как правило, содержит несколько каналов калибровки:The basic equipment of measuring instruments for the certification of eddy current sensors, as a rule, contains several calibration channels:

- канал калибровки шкалы параметров вибропроцесса в плоскости X;- channel calibration scale parameters of the vibration process in the X plane;

- канал калибровки шкалы параметров вибропроцесса в плоскости Y;- calibration channel of the scale of the parameters of the vibration process in the Y plane;

- канал калибровки осевых смещений в плоскости Z.- channel calibration of axial displacements in the Z plane.

Для калибровки измерителя линейных перемещений обычно используют механизм юстировки с микрометрическим устройством. Механизм содержит скобу с двумя соосными отверстиями, в одном из которых установлен узел задания эталонного перемещения с подвижным стержнем, в другом - узел крепления калибруемого измерителя [см., например, а.с. СССР, № 1580152, G 01 B, 7/14, 1988 г. - аналог]. Недостатком аналога является нетехнологичность, связанная с разнородностью методов измерений в калибруемых каналах. Необходим также набор типоразмеров измерительных скоб для валов различного диаметра.To calibrate the linear displacement meter, an adjustment mechanism with a micrometric device is usually used. The mechanism contains a bracket with two coaxial holes, in one of which there is a unit for setting a reference displacement with a movable rod, in the other - a mounting unit for a calibrated meter [see, for example, a.s. USSR, No. 1580152, G 01 B, 7/14, 1988 - analogue]. The disadvantage of the analogue is the low-tech associated with the heterogeneity of the measurement methods in calibrated channels. A set of standard sizes of measuring brackets for shafts of various diameters is also required.

Вместе с тем известно, что чувствительный элемент вихретокового датчика в виде измерительной обмотки, расположенной вблизи проводящего экрана, представляет собой эквивалентную систему связанных контуров. Благодаря вихревым токам, текущим в проводящем экране, в измерительную у обмотку датчика вносится эквивалентное сопротивление, величина которого является функцией зазора между датчиком и экраном. Изменяя эквивалентное сопротивление, вносимое в измерительную обмотку датчика, имитируют изменение величины зазора.However, it is known that the sensing element of the eddy current sensor in the form of a measuring winding located near the conductive screen is an equivalent system of coupled circuits. Due to the eddy currents flowing in the conductive screen, an equivalent resistance is introduced into the measuring coil of the sensor, the value of which is a function of the gap between the sensor and the screen. By changing the equivalent resistance introduced into the measuring coil of the sensor, they simulate a change in the gap.

Ближайшим аналогом к заявляемому устройству является "Эквивалентный электрический метод определения амплитудно-частотной характеристики вихретоковых датчиков виброперемещения". А.Е. Манохин, Н.Б. Герасимов, журнал "Измерительная техника", №6, 2000, с. 43-45. В способе ближайшего аналога фиг.2 перед измерительной обмоткой вихретокового датчика, работающей в резонансном режиме с индуктивностью L1, устанавливают дополнительную обмотку с индуктивностью L2, охватываемую магнитным потоком измерительной обмотки. Осуществляют шунтирование индуктивности L2 управляемым резистором, в качестве которого используют сопротивление полевого транзистора, напряжение на затворе которого изменяют по синусоидальному закону (по закону вибрации объекта). Изменение величины шунтирующего сопротивления обмотки L2 изменяет величину вносимого эквивалентного сопротивления в обмотку L1. При демодуляции сигнала, снимаемого с обмоток L1, последнее может интерпретироваться как изменение либо величины зазора, либо амплитуды вибрации.The closest analogue to the claimed device is the "Equivalent electrical method for determining the amplitude-frequency characteristics of eddy-current vibration displacement sensors." A.E. Manokhin, N.B. Gerasimov, the journal "Measuring equipment", No. 6, 2000, p. 43-45. In the closest analogue method of FIG. 2, an additional winding with inductance L2, covered by the magnetic flux of the measuring winding, is installed before the measuring winding of the eddy current sensor operating in resonance mode with inductance L1. The inductance L2 is shunted by a controlled resistor, which is used as the resistance of a field-effect transistor, the gate voltage of which is changed according to a sinusoidal law (according to the law of vibration of the object). Changing the value of the shunt resistance of the winding L2 changes the value of the introduced equivalent resistance to the winding L1. When demodulating the signal taken from the windings L1, the latter can be interpreted as a change in either the magnitude of the gap or the amplitude of the vibration.

Недостатком ближайшего аналога является ограничение по диапазону линейности имитационной характеристики, поскольку имитируется изменение только активных потерь в проводящем экране.The disadvantage of the closest analogue is the restriction on the linearity range of the simulation characteristic, since only active losses in the conductive screen are simulated.

Задача, решаемая заявляемым техническим решением, состоит в унификации методов измерений в калибрационных каналах и расширении диапазона линейности имитационной характеристики.The problem solved by the claimed technical solution is to unify the measurement methods in the calibration channels and expand the range of linearity of the simulation characteristics.

Поставленная задача решается тем, что в имитаторе вихретоковых нагрузок, содержащем фунциональные каналы калибровки значений измеряемых величин, чувствительный элемент вихретокового датчика, взаимодействующий с эквивалентной нагрузкой в виде индуктивности с параллельно подключенным шунтирующим сопротвлением сток-исток полевого транзистора, на затвор которого подается имитационный вибросигнал дополнительно, функциональные каналы калибровки во всех трех плоскостях X, Y, Z выполнены идентичными, шунтирующий транзистор работает в режиме комплексного сопротивления, величина которого задается параметрами электронной схемы включения, а имитационный вибросигнал в канале Y подается на затвор транзистора через фазовращатель с диапазоном регулирования фазы относительно канала Х от 0 до π⁰.The problem is solved in that in the eddy current simulator, containing the functional channels for calibrating the values of the measured values, the sensing element of the eddy current sensor interacting with the equivalent inductance load with a parallel connected drain-source shunt resistance of the field-effect transistor, to the gate of which an additional simulated vibration signal is supplied, the functional calibration channels in all three planes X, Y, Z are identical, the shunt transistor operates in mode IU complex impedance whose value is given by the electronic parameters of the circuit, and simulation vibrate in channel Y is supplied to the gate of the transistor through a phase shifter to the phase adjustment range relative to the channel X from 0 to π ^0.

Изобретение поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

фиг.1 - эквивалентная схема имитатора из трех идентичных каналов калибровки в плоскостях X, Y, Z;figure 1 - equivalent circuit simulator of three identical calibration channels in the planes X, Y, Z;

фиг.2 - эквивалентная схема канала имитатора из вносимых реактивных и активных сопротивлений;figure 2 is an equivalent circuit channel simulator of the introduced reactive and active resistances;

фиг.3 - сравнительная имитационная характеристика заявляемого устройства и ближайшего аналога.figure 3 is a comparative simulation characteristic of the claimed device and the closest analogue.

Функциональная схема имитатора фиг.1 содержит три канала X, Y, Z калибровки значений измеряемых величин, каждый из которых включает чувствительный элемент вихретокового датчика L1, взаимодействующий магнитным потоком с индуктивностью L2 и возбуждаемый от генератора Г3 посредством обмотки возбуждения ОВ. Параллельно L2 подключен рективно-активный транзистор Т4, комплексное сопротивление которого задает фазосдвигающая цепочка Z5, Z6. Рабочая точка на характеристике транзистора Т4 определяется постоянным напряжением смещения на его затворе, подаваемым через сопротивление R7 от источника опорного напряжения U8. Имитационный сигнал от генератора Г9 в канале Х подается на затвор Т4 через сопротивление регулировки амплитуды R10, в канале Y через фазовращатель Ф11. Регулирование фазы имитационного сигнала в канале Y от 0 до π° осуществляется сопротивлением R12. В канале Z регулировку обеспечивает сопротивление R7.The functional diagram of the simulator of Fig. 1 contains three channels X, Y, Z for calibrating the values of the measured quantities, each of which includes a sensing element of the eddy current sensor L1, which interacts with the magnetic flux with the inductance L2 and is excited from the generator G3 by means of an excitation winding OB. In parallel with L2, a reactive transistor T4 is connected, the complex resistance of which is determined by the phase-shifting chain Z5, Z6. The operating point on the characteristic of the transistor T4 is determined by a constant bias voltage on its gate supplied through the resistance R7 from the reference voltage source U8. The simulation signal from the generator G9 in channel X is fed to the gate T4 through the amplitude adjustment resistance R10, in channel Y through the phase shifter Ф11. The phase control of the simulation signal in channel Y from 0 to π ° is carried out by the resistance R12. In channel Z, the adjustment provides resistance R7.

Динамика взаимодействия элементов схемы фиг.1 состоит в следующем. Чувствительный элемент вихретокового датчика, расположенный вблизи проводящего экрана, представляется эквивалентной системой индуктивно связанных контуров, фиг.2. Импеданс первичной цепи (чувствительного элемента) изменяется из-за связи со вторичной цепью. Присутствие проводящего экрана вблизи L1 уменьшает ее индуктивность Ll_экв=Ll-L_вн=L1(1-k²) и увеличивает активное сопротивление (потери на вихревые токи) R_экв=R1+R_вн=R1+k²(L1/L2)R2. [см., например, ближайший аналог], где k коэффициент связи между чувствительным элементом и проводящим экраном, зависящий от величины зазора (h)

М - взаимная индуктивность.The dynamics of the interaction of the circuit elements of figure 1 is as follows. The sensing element of the eddy current sensor located near the conductive screen appears to be an equivalent system of inductively coupled circuits, Fig.2. The impedance of the primary circuit (sensing element) changes due to coupling with the secondary circuit. The presence of a conductive shield near L1 decreases its inductance Ll _equiv = Ll-L _int = L1 (1-k ² ) and increases the active resistance (eddy current loss) R _equiv = R1 + R _int = R1 + k ² (L1 / L2) R2. [see, for example, the closest analogue], where k is the coupling coefficient between the sensitive element and the conductive screen, depending on the size of the gap (h)

M is the mutual inductance.

Из приведенных соотношений следует, что изменяя величины L2, R2 достигают изменения Z_вн(L_вн и R_вн) в первичный контур, т.е., осуществляют имитацию внесения образца контроля в зону чувствительного элемента вихретокового датчика. Линейность имитационной характеристики определяется соотношениями между параметрами: L2, R2, k, а также параметрами электронной схемы Z5, Z6 включения Т4. Очевидно, что перечисленные параметры определяются режимом работы транзистора Т4. Поскольку для обеспечения линейности имитационной характеристики должны одновременно изменяться L2, R2, то эквивалентное сопротивление цепи сток-исток Т4 должно носить комплексный характер. Реактивный (комплексный) характер эквивалентного сопротивления транзистора создается благодаря подаче на затвор напряжения через цепочку Z5, Z6, сдвигающую напряжение на затворе относительно U стока на некоторый угол <π/2. Для этого необходимо, чтобы одно из сопротивлений Z5 было чисто реактивным, а Z6 чисто активным. Подобный режим работы электронных приборов широко используется в технике модуляции [см., например, "Справочник по радиоэлектронике" под редакцией А.А.Куликовского, том 2. М.: Энергия, 1968, с.50, Модуляция с помощью ламп-реактивностей, рис. 12-78. Реактивная лампа].From the above ratios, it follows that by changing the values of L2, R2 they achieve a change in Z _ext (L _int and R _int ) in the primary circuit, that is, they simulate introducing a control sample into the zone of the sensitive element of the eddy current sensor. The linearity of the simulation characteristic is determined by the relations between the parameters: L2, R2, k, as well as the parameters of the electronic circuit Z5, Z6 of the inclusion of T4. Obviously, the above parameters are determined by the operation mode of the transistor T4. Since, to ensure the linearity of the simulation characteristic, L2, R2 must be simultaneously changed, the equivalent drain-source circuit resistance T4 must be complex. The reactive (complex) nature of the equivalent resistance of the transistor is created by applying voltage to the gate through a chain Z5, Z6, which biases the voltage across the gate relative to the U drain by a certain angle <π / 2. To do this, one of the resistances Z5 must be purely reactive, and Z6 purely active. A similar mode of operation of electronic devices is widely used in the modulation technique [see, for example, "The Handbook of Radio Electronics" edited by A.A. Kulikovsky, Volume 2. M .: Energy, 1968, p.50, Modulation with the help of reactivity lamps, fig. 12-78. Jet lamp].

Изменение комплексного сопротивления Т4 преобразуется электронной схемой в выходной сигнал датчика, пропорциональный изменению расстояния от чувствительного элемента датчика до объекта контроля. Если при этом на затвор Т4 подавать имитационный сигнал, изменяемый по закону вибрации U_msinΩt, то эквивалентное сопротивление первичного контура будет изменяться по закону Z1=Z₀+ΔZsinΩt, где ΔZ - девиация вносимого сопротивления. Таким образом, изменяя смещение на затворе полевого транзистора Т4, имитируют изменение зазора между чувствительным элементом датчика и объектом, а подачей переменного (вибрационного) сигнала на затвор имитируют вибрацию объекта. Тем самым создают возможность калибровки амплитудно-частотной характеристики первичного датчика в широком диапазоне вибрации и величин зазоров.The change in the complex resistance T4 is converted by an electronic circuit into a sensor output signal proportional to the change in the distance from the sensor element to the control object. If, at the same time, a simulated signal is applied to the T4 gate, which varies according to the law of vibration U _m sinΩt, then the equivalent resistance of the primary circuit will change according to the law Z1 = Z ₀ + ΔZsinΩt, where ΔZ is the deviation of the introduced resistance. Thus, by changing the offset at the gate of the field effect transistor T4, they simulate a change in the gap between the sensor element of the sensor and the object, and by applying an alternating (vibrational) signal to the shutter, they simulate the vibration of the object. This makes it possible to calibrate the amplitude-frequency characteristics of the primary sensor in a wide range of vibrations and gaps.

Поскольку вибрационные биения валов роторов, как правило, имеют осевую асимметрию, предусмотрено изменение фазы имитационноговибросигнала в канале Y относительно канала X. во всем возможном диапазоне асимметрии валов (износа подшипников) от 0 до π° посредством фазовращателя Ф11 от регулировочного сопротивления R12. Добротность вторичного контура L2-T4 определяется соотношением реактивного ρ и активного r сопротивлений Q=ρ/r. Шунтирование обмотки L2 чисто активным r_а сопротивлением цепи сток-исток, как это использовано в ближайшем аналоге, снижает добротность Q, эквивалентное сопротивление

и, как следствие, уменьшает диапазон линейности имитационной характеристики. На фиг.3 иллюстрированы имитационные характеристики заявленного устройства и ближайшего аналога. Использование режима комплексного сопротивления Т4 позволяет обеспечить более высокое качество вторичного контура Q и расширяет диапазон линейности имитационной характеристики. Имитатор вихретоковых нагрузок может быть выполнен на существующей элементной базе по типовым электронным схемам включения элементов: генератор Г2 типа Г6-40, транзистор Т4 типа 2П302Б, генератор опорного напряжения Г9 типа Б5-70, фазовращатель Ф11 (см., например, У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника, пер. с немецкого. М.: Мир, 1982, с.221-222, рис.13-34). Использование заявляемого устройства позволяет решить проблему калибровки вихретоковых датчиков.Since vibrational run-outs of rotor shafts, as a rule, have axial asymmetry, a change in the phase of the simulation vibration signal in channel Y relative to channel X is provided for in the entire possible range of shaft asymmetry (bearing wear) from 0 to π ° by means of a phase shifter Ф11 from adjusting resistance R12. The quality factor of the secondary circuit L2-T4 is determined by the ratio of reactive ρ and active r resistances Q = ρ / r. Shunting the winding L2 with a purely active r _{and the} resistance of the drain-source circuit, as used in the closest analogue, reduces the quality factor Q, the equivalent resistance

and, as a result, reduces the linearity range of the simulation characteristic. Figure 3 illustrates the simulation characteristics of the claimed device and the closest analogue. Using the integrated resistance mode T4 allows you to provide higher quality secondary circuit Q and extends the range of linearity of the simulation characteristics. A simulator of eddy current loads can be performed on the existing elemental base according to typical electronic circuits for switching on elements: a G2 generator of the G6-40 type, a T4 transistor of the 2P302B type, a G9 reference voltage generator of the B5-70 type, a phase shifter F11 (see, for example, U. Titze, K. Schenk, Semiconductor Circuitry, Translated from German, Moscow: Mir, 1982, p. 212-222, Fig. 13-34). Using the inventive device allows to solve the problem of calibrating eddy current sensors.

Claims

An eddy current load simulator containing functional channels for calibrating measured values, an eddy current sensor sensitive element interacting with an equivalent inductance load with a parallel connected drain-source shunt resistance, the gate of which receives a simulated vibration signal, characterized in that the calibration calibration channels are all three planes X, Y, Z are identical, the shunt transistor operates in the complex resistance mode, the value of which is set by the parameters of the electronic circuit of its inclusion, and the simulation vibration signal in channel Y is supplied to the transistor gate through a phase shifter with a phase adjustment range relative to channel X from 0 to π °.