Разработка и исследование устройств контроля механических параметров вращающихся валов на базе электромагнитных датчиков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Батырев, Юрий Павлович

• Батырев, Юрий Павлович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Батырев, Юрий Павлович

Введение

Глава 1. Электромагнитные преобразователи

1.1. Физические основы вихретокового метода контроля

1.2. Зависимость сигналов вихретоковых преобразователей от параметров объекта и режима контроля.

1.3. Классификация и использование вихретоковых преобразователей

1.4. Основные схемы включения обмоток вихретоковых датчиков.

1.5. Структурные схемы приборов вихретокового контроля.

Глава 2. Чувствительные элементы вихретоковых датчиков

2.1. Параметры, определяющие работу вихретоковых датчиков.

2.2. Виды и типы катушек вихретоковых датчиков.

2.3. Исследование влияния геометрии катушек на чувствительность датчиков перемещений.

2.4. Результаты исследования параметров катушек различных типов в режиме генераторного возбуждения контура

2.5. Вихретоковые датчики трансформаторного типа.

Глава 3. Создание устройств выделения полезных сигналов вихретоковых датчиков

3.1. Преобразователи сигналов вихретоковых датчиков

3.2. Структурные схемы преобразователей вихретоковых датчиков

3.3. Вихретоковый преобразователь с амплитудной обработкой сигналов

3.4. Фазовый и частотный методы выделения информации

3.5. Частотный метод для катушек с маленькой индуктивностью

3.6. Цифровой датчик линейных перемещений с расширенным температурным диапазоном

3.7. Интеллектуальный модуль возбуждения и обработки сигналов вихретоковых датчиков

3.8. Блоки вторичной обработки для вихретоковых датчиков.

Глава 4. Экспериментальная отработка измерительных каналов

4.1. Источники погрешностей вихретоковых датчиков

4.2. Воздействие температуры на вихретоковые преобразователи.

4.3. Методы повышения температурной стабильности вихретоковых датчиков

4.4 Многопараметровый метод обработки сигналов вихретоковых датчиков

4.5. Методы и устройства калибровки вихретоковых датчиков.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование устройств контроля механических параметров вращающихся валов на базе электромагнитных датчиков»

Вихретоковые датчики находят широкое применение во многих областях науки и техники. В дефектоскопии с помощью вихретоковых систем обнаруживают дефекты типа несплошностей, выходящих на поверхность или залегающих на небольшой глубине (в электропроводящих листах, трубах, проволоке, железнодорожных рельсах и т.д.), а также разнообразные трещины, расслоения и т.п. Вихретоковые методы позволяют успешно решать задачи контроля размеров деталей, например диаметр проволоки, труб, прутков, толщину металлических листов и стенок труб. Измеряемые толщины стенок могут изменяться в пределах от микрометров до десятков миллиметров. В настоящее время вихревые токи используются для индуктивного нагрева, высокочастотной закалки, для выявления металлических тел в неметаллических узлах, в неразрушающих и бесконтактных испытаниях качества металлов, для контроля линейных размеров различных объектов.

Такие датчики широко применяются для измерения длин зазоров, параметров относительной вибрации, числа оборотов, счета деталей, определения положения объектов, в том числе для измерения сил и давлений. Особенность вихретокового контроля в том, что его можно проводить без контакта датчика и объекта. При этом на сигнал вихретокового датчика практически не влияет влажность, давление и загрязненность среды и поверхности объекта контроля непроводящими веществами. Простота конструкции датчика - ещё одно преимущество вихретокового метода. При защите обмоток вихретокового датчика специальным наполнителем они устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям, могут работать в агрессивных средах с широким интервалом температур и давлений. Большой вклад в разработку вопросов теории вихретокового контроля внесли труды российских ученых: Герасимова В.Г., Гончарова В.В., Дорофеева А.Л., Клюева В.В., Покровского А.Д., Сандовского В.А., Соболева В.С, Сухорукова В.В., Федосенко Ю.К., Шатерникова В.Е., Шкарлета Ю.М, и др.

В последнее время отчетливо наметилась тенденция к микроминиатюризации датчиковой аппаратуры, при этом изменения претерпевают не только размеры самого датчика, но и электронной части, которая может быть встроена непосредственно в сам датчик. Наряду с уменьшением размеров датчиковой аппаратуры, основным направлением становится ее "интеллектуализация", т.е. проведение непосредственно в самом датчике предварительной обработки информации, функций самодиагностики и калибровки и выдачу обработанной информации в реальном масштабе времени, что уже привело за собой выработку международных стандартов для производства "умных" датчиков. Все это вместе ведет к созданию датчиков с широкими возможностями, значительно упрощающими существующие измерительные системы, делающими их гибкими и открытыми.

Вихретоковый датчик представляет собой катушку индуктивности, которая является возбудителем и приемником электромагнитных полей, взаимодействующим с объектом контроля. Сердечником датчика может служить сама контролируемая деталь, через нее замыкается создаваемый катушкой магнитный поток и изменение зазора И ведет к изменению индуктивности катушки Ьо и сопротивления Яо- Поле вихревых токов изменяет полное сопротивление контура, образованного обмоткой преобразователя и емкостью соединительного кабеля, обуславливая изменение амплитуды, частоты и фазы сигнала [1]. Характер этих изменений во многом определяется геометрическими параметрами обмотки, которые влияют на значения вносимых сопротивлений (активного и индуктивного). Изменение этих параметров с помощью электрической схемы преобразуется в удобные для усиления и измерения электрическое напряжение или ток, при этом сигнал измерительной информации последовательно претерпевает ряд преобразований от входа к выходу (усиление, детектирование, фильтрацию и т.д.) до получения на выходе результата измерения. При включении преобразователей в другие измерительные системы возникает проблема их согласования. Преобразователи по своей сущности являются чисто аналоговыми устройствами. Развитие цифровых измерительных систем вызывает необходимость в создании цифровых датчиков. В этой ситуации аналоговый выходной сигнал вихретокового преобразователя должен иметь форму, пригодную для использования в цифровой системе. Очевидно, что положительные свойства аналоговых и цифровых сигналов оптимально сочетаются в электрических сигналах, информационным параметром которых является частота, фаза (длительность импульса). Такие частотно-временные сигналы, являясь по существу аналоговыми, для вихретоковых преобразователей могут быть получены относительно просто. Pix передача и обработка осуществляется с точностью, характерной для кодовых сигналов. Для вихретокового преобразователя частотно-зависимый выход реализуется путем использования свойства индуктивности как частотозадающего элемента. Значение частоты или периода (длительности импульса для фазового метода) может быть определено в любой момент времени с высокой точностью с помощью аналогово-цифрового процессора [38], имеющего минимальную конфигурацию контроллера на основе микро-ЭВМ. Все необходимые для функционирования операции - измерение, линеаризация характеристики, реализация последовательного системного интерфейса - производятся программно. Такой подход позволяет решить проблему использования преобразователей в больших системах, построенных по иерархической структуре с наделением их функции предварительной обработки.

Для наиболее ответственного и уникального оборудования, каким являются энергетические установки, вырабатывающие электричество, стоимостью десятки миллионов рублей (рис.1), используется стационарные системы контроля и диагностики, которые позволяют вести контроль над состоянием агрегатов непрерывно.

Рис. 1. Общий вид турбины Структурно такая система представляет собой измерительный и программный комплекс из полного набора вихретоковых датчиков, устройств сопряжения, контроллеров, программного обеспечения мониторинга [41]. Пример возможной конфигурации системы для контроля энергетических агрегатов при помощи вихретоковых датчиков (на примере агрегата Сургутской ГРЭС-2) приведён на рис.2.

Рис. 2. Контроль энергетических агрегатов при помощи вихретоковых датчиков.

Система обеспечивает контроль таких параметров как: осевой сдвиг вала ротора в диапазоне -1,5 / + 2,2 мм; виброперемещения вала ротора в диапазоне 0.500 мкм в 4-х поддиапазонах; линейные (осевые) перемещения вала ротора в диапазонах - 4 /+ 5 мм, - 4 / + 7 мм, -3 / + 15 мм, - 3 / + 23 мм, - 4 / + 32 мм; тепловое расширение корпуса турбины в диапазоне 0.60 мм; частота вращения вала ротора в диапазоне 0.4000 об/мин. искривление вала в диапазоне 0 - 500 мкм.

Крепление датчиков для измерения относительной вибрации показано на рис. 3.

Рис. 3. Крепление датчиков на турбине

Целью данной работы является:

Разработка элементов и узлов аппаратуры контроля над состоянием работы установок роторного типа на основе электромагнитных датчиков, находящихся в условиях воздействия агрессивных сред с широким интервалом температур и давлений с улучшенными метрологическими характеристиками.

Примером такой установки может служить энергетический агрегат Сургутской ГРЭС-2 мощностью 800 МВт.

Актуальность работы.

Несмотря на достаточно широкий выбор таких датчиков на рынке, продолжаются работы и исследования, направленные на совершенствование их характеристик - расширение диапазона измерения, уменьшение нелинейности, уменьшение температурной зависимости, нормирование выходного сигнала для разных типов металлов. Также изменения связаны с внедрением микроэлектронных технологий при создании катушек индуктивности, внедрением цифровых методов обработки и представления информации и созданием интеллектуальных преобразователей.

В задачи работы входило:

1. Исследование влияния геометрических параметров обмоток вихретоковых датчиков, изготовленных по различным технологиям на чувствительность, диапазон измерения перемещений и линейность градуировочной характеристики.

2. Исследование схем возбуждения и обработки сигналов вихретоковых датчиков различных конструкций на чувствительность, линейность и диапазон измеряемых перемещений в условиях воздействия повышенных температур.

3. Поиск путей снижения температурной погрешности вихретоковых датчиков. Исследование методов компенсации температурной погрешности. Разработка датчиков перемещения с расширенным температурным диапазоном работы.

4. Разработка структурной схемы и алгоритма работы цифрового устройства обработки сигналов вихретокового датчика.

5. Разработка схем и алгоритмов работы блоков вторичной обработки сигналов электромагнитных датчиков на основе микропроцессорной техники.

6. Исследование и создание электрического стенда - имитатора вихретоковых нагрузок для проверки работоспособности, настройки и калибровки вихретоковых датчиков.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Батырев, Юрий Павлович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведены исследования влияния геометрических параметров обмоток датчиков на чувствительность, линейность градуировочной характеристики и диапазон измеряемых перемещений, на основании которых разработаны датчики перемещений разных типов конструкций, изготовленных с использованием различных технологий.

2. Исследованы различные способы возбуждения и обработки сигналов вихретоковых датчиков на чувствительность, линейность и диапазон измеряемых перемещений. Определены критерии выбора схем возбуждения для заданных условий эксплуатации.

3. Разработаны конструкции датчиков осевого (4 мм) и линейного (160 мм) перемещения со встроенным датчиком температуры и микропроцессорным блоком для расширения температурного диапазона работы до 170 °С и 300 °С соответственно. Разработан алгоритм компенсации температурной погрешности, реализованный в программном обеспечении микропроцессорного блока, позволивший получить суммарную погрешность не более 2,5 % во всем диапазоне температур.

4. Разработан метод снижения температурной погрешности вихретокового датчика, использующий включение катушки датчика из проволоки с малым ТКС (манганин) в схему релаксационного генератора.

5. Разработан 2-х параметровый метод обработки выходного сигнала датчика, позволяющий расширить диапазон измерения перемещений при сохранении геометрии датчика.

6. Разработаны структурная схема и алгоритм работы цифрового устройства обработки сигналов вихретоковых датчиков, обладающего диагностическими способностями.

7. Разработаны блоки вторичной обработки сигналов вихретоковых датчиков на основе микропроцессорной техники - осевого смещения (ОС), относительного виброперемещения (ОВ), искривления вала (ИВ), теплового расширения (ТР), тахометра (ТХ), а также программное обеспечение, выполняющее заданные алгоритмы обработки сигналов.

8. Разработан вихретоковый преобразователь с контроллером и программным обеспечением передачи данных, способный интегрироваться в промышленные сети и поддерживать протокол обмена МосШиБ ЯТИ.

9. Создан электрический стенд - имитатор вихретоковых нагрузок, имитирующий работу вала турбины, для проверки работоспособности, настройки и калибровки вихретоковых датчиков, защищенный патентом РФ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Батырев, Юрий Павлович, 2006 год

1. Герасимов В.Г. и др. Неразрушающий контроль. Кн. 3. Электромагнитный контроль. Под ред. проф. Сухорукова В.В., М., Высшая школа, 1992 г.

2. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. проф. В.В. Клюева, Машиностроение, М., 1976 г.

3. Герасимов В.Г., Клюев В.В, Шатерников В.Е. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий, Энергоатомиздат, М., 1983 г.

4. Герасимов В. Г. и др., Неразрушающий контроль качества изделий электромагнитными методами, М.; Энергия, 1978 г.

5. Герасимов В.Г. Электромагнитный контроль однослойных и многослойных изделий. М., Энергия, 1972 г.

6. Неразрушающий контроль металлов и изделий. Справочник под ред. Г.С. Самойловича, Машиностроение, М., 1976 г.

7. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара. Справочник под ред. проф. В.В. Клюева, кн.2, М., Машиностроение, 1978 г.

8. Неразрушающие испытания. Справочник под ред. Р. Мак-Мастера. М., Энергия, 1965 г.

9. Гаврилин В.В., Григулис Ю.К. Электромагнитные радиоволновые приборы для контроля слоев полупроводниковых и металлических структур. Рига, Зинатне, 1983 г.

10. Григулис Ю.К. Электромагнитный метод анализа слоистых полупроводниковых и металлических структур. ЗИНАТНЕ, Рига, 1970 г.

11. Н.Дорофеев А.Л. Вихретоковые датчики. М.: Энергия, 1977 г.

12. Дорофеев А.Л., Казаманов Ю.Г. Электромагнитная дефектоскопия. М., Машиностроение. 1980 г.

13. Баскаков С.И. Основы электродинамики. М.: Советское радио, 1973 г.

14. Купалян С. Д. Теоретические основы электротехники. Ч.З Электромагнитное поле, Энергия, М., 1970 г.

15. Матвеев А.Н. Электродинамика, Высшая школа, М., 1980 г.

16. Батырев Ю.П. и др. Глава 7 Специализированные датчики и аппаратура для измерения параметров движения, справочник, т.2 Датчики теплофизических и механических параметров под ред. Ю.Н. Коптева, Радиотехника, М., 2000 г.

17. Локшина Н. Н., Шкарлет Ю. М. Приближенная методика расчета накладных вихретоковых датчиков. Дефектоскопия, № 1, 1970 г.

18. Калантаров П. JI., Цейтлин JI. А. Расчет индуктивностей. Справочная книга. JI. Энергоатомиздат, 1986 г.

19. Немцов М.В. Справочник по расчету параметров катушек индуктивности. М., Энергоатомиздат, 1989 г.

20. Федотов А. В., Расчет и проектирование индуктивных измерительных устройств, М.; Машиностроение, 1979 г.

21. Виноградов 10. Д. и др., Электронные измерительные системы для контроля малых перемещений, М.; Машиностроение, 1976 г.

22. Индуктивно-частотные преобразователи неэлектрических величин. М.: Энергия, 1968 г.

23. Титце У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982 г.

24. A. Passeraub, G.Rey-Mertet. Inductive proximity sensor with a flat coil and a new differential relaxation oscillator. Sensors and Actuators, A60 (1997), p. 122126.

25. Pavel Kej'ik, Rade S. Popovic . A low-cost inductive proximity sensor for industrial applications, Sensors and Actuators, vol A 110 (2004), p. 93-97.

26. S. Middlehoek, P. J. French, J. H. Huijsing, and W. J. Lian, "Sensors with digital or frequency output," Sensors and Actuators, vol. 15, pp. 119-133,1988.

27. Алиев Т.М., Тер-Хачатуров A.A. Измерительная техника, М., Высшая школа, 1991 г.

28. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений, М., Мир, 1990 г.

29. Белоцерковский Г. В. Основы радиотехники и антенн. Учебник, т. 4, М.; Сов. Радио, 1978 г.

30. Вульвет Дж. Датчики в цифровых системах, М., Энергоиздат, 1981 г.

31. Дунаевский В.П., Машков A.C., Батырев Ю.П. и др. Однообмоточные вихретоковые датчики перемещений. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. Вып. 302(11). М.: МГУЛ, 1999. - С. 154-159.

32. Круликовский A.A. Справочник по радиоэлектронике. T.l. М.: Энергия, 1968 г.

33. Хоровиц 3. П., У.Хилл. Искусство схемотехники. Т.1., М.: Мир, 1993 г.

34. Дунаевский В.П., Машков A.C., Батырев Ю.П. и др. Аппаратура для контроля параметров валопроводов энергоагрегатов. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. -Вып. 302(11). М.: МГУЛ, 1999. С. 164-169.

35. Аш Ж. с соавт. Датчики измерительных систем, ч.1. М., Мир, 1992 г.

36. Потапов А.И., Пеккер Ф.П. Неразрушающий контроль конструкций из композиционных материалов, Л., Машиностроение, 1977 г.

37. Машков A.C., Батырев Ю.П. Аналого-цифровой процессор для вихретоковых датчиков. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. Вып. 318. М.: МГУЛ, 2002. -С. 190-194.

38. Викторов В.А., Лункин Б.В. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М., Наука, 1973 г.

39. Волков Б.И., Агафонов В.А. Исследование параметров локальности вихретокового преобразователя с конусным сердечником, Дефектоскопия, № 5, 1983 г.

40. Гольдин A.C. Вибрация роторных машин. М.: Машиностроение, 1999 г.

41. Шепетильников В.А. Теория и практика балансировочной техники. М.: Машиностроение, 1973 г.

42. Гончаров Б.В. Теория и практика безэталонных электромагнитных методов контроля, М., Машиностроение, 1975 г.

43. Гликман И.Я., Русин Ю.С. Расчет характеристик элементов цепей радиоэлектронной аппаратуры. М., Советское радио, 1976 г.

44. Машков A.C., Батырев Ю.П. и др. Способы выделения информации при контроле зазоров вихретоковыми датчиками. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. Вып. 302(11). М.: МГУЛ, 1999.-С. 177-183.

45. Вопилин B.C., Буров В.Н. Алгоритмы обработки информации в вихретоковых средствах измерения параметров изделий. Дефектоскопия, № 9, 1984 г.

46. Peter O'Shea. "Phase Measurement." Copyright 2000 CRC Press LLC.

47. Соловьев В.Я. Фазовые измерения. M., Энергия, 1973 г.

48. Смирнов П.Т. Цифровые фазометры. Л., Энергия, 1974 г.

49. Скрипник Ю.А. Модуляционные измерения параметров сигналов и цепей. М., Советское радио, 1975 г.

50. Федосенко ЮК. Теория вихретокового контроля преобразователями с неравномерной плотностью намотки. Дефектоскопия, № 3,1980 г.

51. Меркулов А.И. Приближенный анализ накладных вихретоковых преобразователей. Дефектоскопия, № 1,1982 г.

52. Ляченков Н.В. Повышение чувствительности накладных вихретоковых датчиков. Датчики и системы. № 9, 1999 г., С. 39-40.

53. Аграновский Б.А., Ермаков А.Н. Градуировка цифровых электромагнитных толщиномеров с учетом функции коррекции. Дефектоскопия, №4, 1982 г.

54. Герасимов А.И. Мазин В.Д. Использование свойств дробно-линейных преобразование в измерительных преобразователях. // Приборы и системы управления. №9. - 1989 г.

55. Вологжанин Л.И. Повышение стабильности электромагнитных приборов. Дефектоскопия, №4,1984 г.

56. Буров В.Н., Шатерников В.Е. Влияние конструктивных параметров накладных трансформаторных вихретоковых преобразователей на выбор структуры и метрологические характеристики электромагнитных измерительных средств. Дефектоскопия, №4, 1980 г.

57. Дякин В.В., Сандовский В.А. Теория и расчет накладных вихретоковых преобразователей. М.: Наука, 1981 г.

58. Демидова-Панферова P.M., Малиновский В.Н. и др. Задачи и примеры расчетов по электроизмерительной технике. М.: Энергоатомиздат, 1990 г.

59. Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы вибрации валопроводов и общие требования к проведению измерений ГОСТ 27165-86.

60. Машков A.C., Батырев Ю.П. Физические основы контроля зазоров методом вихревых токов. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. Вып. 318. М.: МГУЛ, 2002. -С. 195-204.

61. Дунаевский В.П., Машков A.C., Батырев Ю.П. и др. Вихретоковые датчики трансформаторного типа. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. Вып. 302(11). М.: МГУЛ, 1999.-С. 160-163.

62. Филиппов А.Н., Машков A.C., Дунаевский В.П., Батырев Ю.П. Вихретоковый преобразователь с амплитудной обработкой сигналов. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. Вып. 307(11). М.: МГУЛ, 2000. - С. 270-275.

63. Машков A.C. Вихретоковые преобразователи перемещений. // Экология, мониторинг и рациональное природопользование. // Научные труды МГУЛ. Вып. 318. М.: МГУЛ, 2002.-С. 173-184.

64. Новиков В.Н., Чувыкин Б.В. // Датчики и системы. 2005. - № 9. - С. 24 -28.

65. Машков A.C., Батырев Ю.П. Микрокатушка для датчиков относительной вибрации. Труды межд. конф. "Математические и физические методы в экологии и мониторинге природной'среды", 23-25 окт. 2001 г., изд. МГУЛ, М., 2001, с. 291-293.

66. Манохин А.Е., Герасимов Н.Б. Эквивалентный электрический метод определения амплитудно-частотной характеристики вихретоковых датчиков перемещения. // Измерительная техника. 2000. - № 6. - С. 43.

67. Филиппов A.b., Машков A.C. и др. Вихретоковый датчик перемещений. Патент РФ на изобретение № 2196960.

68. Тиль Т. Электрические измерения неэлектрических величин. М.: Энергоатомиздат, 1987.

69. Трофимов A.A., Конаков Н.Д. Трансформаторные датчики перемещений с расширенным диапазоном измерений. // Датчики и системы. 2005. - № 9. -С. 8-10.

70. Гаврилов В.А., Трофимов A.A. Система измерения линейных перемещений. // Датчики и системы. 2005. - № 9. - С. 44 - 46.

71. Шапонич Д., Жигич А. Коррекция пьезорезисторного датчика давления с использованием микроконтроллера. // Приборы и техника эксперимента. -2001.-№ 1.-С. 54-60.

72. Давыдов В.Ф., Батырев Ю.П. и др. Имитатор вихретоковых нагрузок. Патент РФ на изобретение № 2231020 от 20.06.2004 г.

73. Новицкий П.В., Кнорринг В.Г., Гутников B.C. Цифровые приборы с частотными датчиками. Л.: Энергия, 1970 г.

74. Петухов В.М. и др. Транзисторы полевые. М.: Советское радио, 1978 г.

75. Ицкович Э.Л. Современные интеллектуальные датчики общепромышленного назначения, их особенности и достоинства. // Датчики и системы. 2002. - № 2. - С. 42 - 47.

76. Ph. A. Passeraub and others. A differential relaxation oscillator as a versatile electronic interface for sensors, Sensors and Actuators. A58 (1997), p. 141-148.