RU1768933C

RU1768933C - Eddy-current device for measuring clearances

Info

Publication number: RU1768933C
Application number: SU904864886A
Authority: RU
Inventors: Григорий Отариевич Кобидзе
Original assignee: Научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей
Priority date: 1990-07-12
Filing date: 1990-07-12
Publication date: 1992-10-15

Abstract

Изобретение относитс к контрольно- измерительной технике и может использоватьс дл измерени зазора вихретоковым методом. Цель изобретени - повышение точности измерени за счет отстройки от мешающего воздействи вли ющих факторов , достигаетс благодар тому, что в вих- ретоковом устройстве дл измерени зазора, содержащем генератор, измерительный и компенсационный блоки с вихре- токовыми преобразовател ми каждый, подключенную к их выходам схему вычитани и индикатор, схема вычитани выполнена на операционном усилителе, а устройство снабжено регулируемым источником посто нного напр жени , подключенным к инвертирующему входу операционного усилител через регистр, схемой автоматической регулировки усилени со стабилизацией максимального уровн сигнала, включенной между выходом схемы вычитани и индикатором. 5 ил.The invention relates to a measurement technique and can be used to measure the gap by the eddy current method. The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy due to the detuning from the influence of influencing factors, due to the fact that in the eddy current device for measuring the gap, containing a generator, measuring and compensation units with eddy current transducers each, a circuit connected to their outputs subtraction and indicator, the subtraction circuit is made on the operational amplifier, and the device is equipped with an adjustable constant voltage source connected to the inverting input of the operational amplifier l through the register, the automatic gain adjustment circuit to the stabilization of the maximum signal level included between the output of the subtractor and an indicator. 5 ill.

Description

Изобретение относитс к контрольно- измерительной технике и может примен тьс при измерении зазора в услови х воздействи на преобразователи неинформативного вли ющего фактора, например, при контроле энергетических машин вихре- токовыми преобразовател ми в услови х изменени температуры окружающей среды . ,The invention relates to measuring and control technology and can be used when measuring the gap under conditions of exposure to transducers of an uninformative influencing factor, for example, when monitoring power machines with eddy current converters under conditions of changing ambient temperature. ,

Существуют вихретоковые устройства, осуществл ющие контроль зазора в услови х изменени температуры. Например, преобразователь состоит из генератора, измерительного канала, опорного канала, регулируемого сопротивлением, дифференциальной (разностной) схемы и индикатора Недостатком такого устройства вл етс наличие погрешности измерени при изменении температуры из-за разной температурной зависимости импед нсовEddy current devices exist which monitor the gap under conditions of temperature change. For example, a converter consists of a generator, a measuring channel, a reference channel adjustable by resistance, a differential (differential) circuit, and an indicator. The disadvantage of such a device is the presence of measurement error when the temperature changes due to the different temperature dependence of the impedances

измерительного датчика и термосопротивлени .measuring sensor and thermal resistance.

Наиболее близким по технической сущности вл етс вихретоковое устройство дл измерени зазора, состо щее из двух конструктивно идентичных вихретоковых преобразователей - измерительного и компенсационного . Устройство содержит генератор переменного напр жени , св занные с его выходом измерительный и компенсационный блоки с вихретоковыми преобразовател ми , подключенную к их выходам схему вычитани и индикатор.The closest in technical essence is the eddy current device for measuring the gap, consisting of two structurally identical eddy current transducers - measuring and compensation. The device comprises an alternating voltage generator, measuring and compensation units with eddy current converters connected to its output, a subtraction circuit and an indicator connected to their outputs.

Недостатком известного вихретокового устройства вл етс недостаточна точность измерени из-за наличи температурной погрешности, св занный с тем, что во-первых, обмотки вихретоковых преобразователей имеют разные зависимости эквивалентных индуктивностей п активных сопротивлений от температуры (так как неыA disadvantage of the known eddy current device is the lack of measurement accuracy due to the presence of temperature error due to the fact that, firstly, the windings of eddy current transducers have different temperature dependences of equivalent inductances and active resistances (since

возможно абсолютно точно их изготовить), а, во-вторых, при изменении температуры обьекта контрол внос тс дополнительные изменени во вторичном электромагнитном поле, воздействующем только на один измерительный преобразователь. Вследствие этого приходитс непосредственно перед измерением производить подстройку нул индикатора.it is possible to make them absolutely precisely), and, secondly, when the temperature of the monitoring object changes, additional changes are made in the secondary electromagnetic field, which acts on only one measuring transducer. As a result, it is necessary to adjust the indicator to zero immediately before the measurement.

Целью предлагаемого изобретени вл етс повышение точности измерени за счет отстройки от мешающего воздействи вли ющих факторов.The aim of the invention is to increase the accuracy of measurements due to the detuning from the interfering influence of influencing factors.

Эта цель достигаетс тем, что схема вычитани выполнена на операционном усилителе с регулируемым входным делителем, а устройство снабжено регулируемым источником посто нного напр жени , под- кпюченным к инвертирующему входу операционного усилител через резистор, и схемой АРУ стабилизации максимального уровн сигнала, включенной между выходом схемы вычитани и индикатором.This goal is achieved by the fact that the subtraction circuit is made on an operational amplifier with an adjustable input divider, and the device is equipped with an adjustable constant voltage source connected to the inverting input of the operational amplifier through a resistor, and an AGC circuit for stabilizing the maximum signal level connected between the output of the circuit subtraction and indicator.

На фиг. 1 изображена принципиальна схема еихретокового устройства дл измерени зазора; на фиг. 2 - пространственное расположение вихретоковых преобразователей устройства относительно объекта контрол ; на фиг. 3 - графики напр жений в некоторых точках принципиальной схемы, изображенной на фиг. 1; на фиг. 4 - статическа функци преобразовани зазора, сн та дл точки Е схемы фиг. 1 дл разных значений температуры; на фиг. 5 - статическа функци преобразовани устройства дл всех температур из диапазона возможных значений.In FIG. 1 is a circuit diagram of an electrochemical device for measuring clearance; in FIG. 2 - spatial arrangement of eddy current transducers of the device relative to the object of control; in FIG. 3 shows voltage plots at some points of the circuit diagram shown in FIG. 1; in FIG. 4 is a static gap conversion function taken for point E of the circuit of FIG. 1 for different temperatures; in FIG. 5 is a static device conversion function for all temperatures from a range of possible values.

Вихретоковое устройство дл измерени зазора содержит генератор 1 переменного напр жени , измерительный и компенсационный блоки 2,3. Измерительный блок 2 состоит из измерительной обмотки 4 вихретокового преобразовател , резонансной и разделительной емкостей 5,6, амплитудного детектора 7, состо щего из диода 8, резистора 9 и конденсатора 10. Компенсационный блок 3 собран аналогично и бостоит из компенсационной обмотки 11 вихретокового преобразовател , по возможности идентичной измерительной обмотке 4, резонансной и разделительной емкостей 12 и 13 и амплитудного детектора 14 на диоде 15, резисторе 16 и конденсаторе 17. Выходы блоков 2 и 3 соединены со входами схемы 18 вычитани , собранной на операционном усилителе 19 и резисторах 20-23 с номиналами Ri-Ri. Источник 24 посто нного напр жени U выполнен в виде подстроечного резистора 25 включенного между противоположными полюсами источника питани (на чертеже не показан). Резистор 20 номинала RS включен между источником 24 и инвертирующим входом операционного усилител 19. Схема 27 автоматической регулировки усилени со стабилизацией максимального уровн (АПУ) входом подключена к схеме 18 вычитани , выходом - к индикатору 28. АРУ состоит из аналогового перемножител 29, одним входом подключенного ко входу АПУ, пикового детектора 30, включенного между выходом АРУ и отрицательным входом интегратора 31 разности, собранного на операционном усилителе 32, резисторе 33 и конденсатореThe eddy current device for measuring the gap comprises an alternating voltage generator 1, measuring and compensation units 2,3. The measuring unit 2 consists of a measuring winding 4 of the eddy current transducer, resonant and isolation capacitances 5,6, an amplitude detector 7, consisting of a diode 8, a resistor 9 and a capacitor 10. The compensation unit 3 is assembled similarly and consists of a compensation winding 11 of the eddy current transducer the capabilities of an identical measuring winding 4, resonant and isolation capacitances 12 and 13, and an amplitude detector 14 on a diode 15, a resistor 16, and a capacitor 17. The outputs of blocks 2 and 3 are connected to the inputs of the subtraction circuit 18, with scolded on operational amplifier 19 and resistors 20-23 with ratings Ri-Ri. The constant voltage source 24 is made in the form of a tuning resistor 25 connected between the opposite poles of the power source (not shown). An RS-rated resistor 20 is connected between the source 24 and the inverting input of the operational amplifier 19. The automatic gain control circuit with maximum level stabilization (APU) 27 is connected to the subtraction circuit 18 and the output to the indicator 28. The AGC consists of an analog multiplier 29, with one input connected to the input of the APU, a peak detector 30 connected between the output of the AGC and the negative input of the difference integrator 31, assembled on an operational amplifier 32, a resistor 33, and a capacitor

34, источника 35 опорного напр жени в виде подстроечного резистора 36, включенного первым и вторым выводами между положительным полюсом источника питани общей шиной. Третий вывод резистора 3634, a reference voltage source 35 in the form of a tuning resistor 36 connected by the first and second terminals between the positive pole of the power supply by a common bus. The third output of the resistor 36

вл етс выходом источника 35 опорного напр жени и подключаетс к положительному входу интегратора 31 разности, а выход интегратора 31 разности соединен со вторым входом аналогового перемножител is the output of the reference voltage source 35 and is connected to the positive input of the difference integrator 31, and the output of the difference integrator 31 is connected to the second input of the analog multiplier

29.29.

Сопротивлени Ri-Rs выбираютс таким образом, чтобы выполн лось соотношениеResistances Ri-Rs are selected so that the ratio

30thirty

1 „ Ri +R3 1 1m1 „Ri + R3 1 1m

R2 R3 R R3( J R2 R3 R R3 (J

R5R5

где коэффициент К и потенциал U источника 24 посто нного напр жени определ ютс при настройке преобразовател на объект контрол и услови контрол where the coefficient K and the potential U of the constant voltage source 24 are determined when the converter is tuned to the monitoring object and the monitoring conditions

Рассмотрим пример конкретной реализации схемы фиг. 1 и ее настройки при измерении зазора Н между лопатками вращающейс турбины и защитным экраном в услови х изменени температуры отConsider an example of a specific implementation of the circuit of FIG. 1 and its settings when measuring the gap H between the blades of a rotating turbine and a protective screen under conditions of a change in temperature from

20° до 300°С, как это изображено на фиг,2. Здесь 37 - корпус измерительного и компенсационного преобразователей,38 - лопатки вращающейс турбины (не показана), 39 - защитный экран.20 ° to 300 ° C, as shown in FIG. 2. Here, 37 is the housing of the measuring and compensation transducers, 38 are the blades of a rotating turbine (not shown), 39 is the shield.

До запуска турбины температура лопаток и окружающей среды равна комнатной (20°С). В этих услови х корпус 37 выставл етс на номинальное рассто ние Н0 (в примере Но 0,3 мм) до одной из лопатокBefore the turbine starts, the temperature of the blades and the environment is equal to room temperature (20 ° C). Under these conditions, the housing 37 is set to the nominal distance Ho (in the example Ho 0.3 mm) to one of the blades

турбины и замер ютс потенциалы Уюи Uao соответственно на выходе измерительного блока 2 (фиг. 1 точка Г)и на выходе компенсационного блока 3 (точка Д). При запуске турбины с течением времени температураthe turbines and Uyui Uao potentials are measured respectively at the output of the measuring unit 2 (Fig. 1 point D) and at the output of the compensation unit 3 (point D). When the turbine starts over time, the temperature

лопаток и окружающей среды повышаетс и достигает 300°С. В момент остановки турбины при темперагуреЗОО°С выставл етс зазор И0 и замер ютс потенциалы U;m и U2m в тех же точках Г и Д схемы Фиг 1 Коэффи .диент компенсации вли ни температуры К определ етс из соотношени blades and the environment rises and reaches 300 ° C. At the moment of stopping the turbine at a temperature of 300 ° C, a gap И0 is set and potentials U; m and U2m are measured at the same points Г and Д of the circuit of Fig. 1 The coefficient of compensation of the effect of temperature K is determined from the ratio

К (2), а потенциал источни- Uim-UioK (2), and the potential of the source is Uim-Uio

ка24ka24

R5R5

UU

ЩU

(3), rfleU0 KUio-U2o(4)(3), rfleU0 KUio-U2o (4)

Т.к. обмотки 4 и 11 конструктивно идентичны , то коэффициент К лежит в пределах К 0,5...2,0. Тогда ,если выбрать RI Рз Rs 10 к, R4 100 к, то дл К 1 R2 10 к, дл К 2 R2 200к, дл К 0,5, R2 3,3 к. Поэтому резистор R2 выполнен переменным с номиналом 200 к и антилогарифмической шкалой регулировки.Because windings 4 and 11 are structurally identical, then the coefficient K lies within K 0.5 ... 2.0. Then, if you choose RI Pz Rs 10 k, R4 100 k, then for K 1 R2 10 k, for K 2 R2 200 k, for K 0.5, R2 3.3 k. Therefore, resistor R2 is made variable with a nominal value of 200 k and anti-logarithmic adjustment scale.

Операционные усилители 19 и 32 представл ют собой микросхемы 544УД2, перемножитель 29 выполнен на микросхеме К140МА1, переменный резистор 36 - 2,2 к, резистор 33-500 к, конденсатор 34- 1 мкФ, в качестве индикатора 28 вз т осциллограф С1-112. Пиковый детектор 30 состоит из диода ГД508, резистора 1М и конденсатора 1 мкФ (на чертеже не показаны), причем параллельно включенные диод и резистор рас положены между входом и выходом пикового детектора 30, а конденсатор включен между выхо .ом детектора 30 и общей шиной.The operational amplifiers 19 and 32 are 544UD2 microcircuits, the multiplier 29 is made on the K140MA1 microcircuit, the variable resistor 36 is 2.2 k, the resistor is 33-500 k, the capacitor is 34-1 microfarads, and the C1-112 oscilloscope is taken as an indicator 28. Peak detector 30 consists of a GD508 diode, 1M resistor, and 1 μF capacitor (not shown in the drawing), with the diode and resistor connected in parallel between the input and output of peak detector 30, and a capacitor connected between the output of detector 30 and the common bus.

Точна регулировка значений К и U осуществл етс следующим образом.Fine adjustment of the values of K and U is carried out as follows.

1.Подать на резистор 9 (точку Г фиг. 1) и на резистор 16 (точку Д) соответственно напр жени (Uim-Uio) и (U2m-U2o).1. Apply voltage (Uim-Uio) and (U2m-U2o) to resistor 9 (point D of Fig. 1) and to resistor 16 (point D).

2.Выставить резистором 25 напр жение U источника 24 равным нулю.2. Set resistor 25 to voltage U of source 24 equal to zero.

3.Подстроечным сопротивлением 25 добитьс равенства нулю напр жени U на выходе операционного усилител 19 в точке Е.3. Trimmer resistance 25 to achieve equal to zero voltage U at the output of the operational amplifier 19 at point E.

4.Подать в точки Г и Д соответственно напр жени Uio и Uao.4. Submit to points D and D, respectively, the voltages of Uio and Uao.

5.Подстроечным сопротивлением 25 добитьс равенства нулю напр жени в точке Е.5. Trim resistance 25 to achieve equal zero voltage at point E.

6.Резистором 36 выставить напр жение Uon 10 В, соответствующее максимальному напр жению, при котором сохран етс линейность выходов операционных усилителей.6. Set resistor 36 to a voltage Uon of 10 V corresponding to the maximum voltage at which the linearity of the outputs of the operational amplifiers is maintained.

Настроенна схема позвол ет соблюдать услови (1) и (3), тогда напр жение в точке Е будет определ тьс из соотношени The tuned circuit allows conditions (1) and (3) to be observed, then the voltage at point E will be determined from the relation

:- : -

R/I U (KUi-U2-U0) щR / I U (KUi-U2-U0)

где 1Н и U2 - текущие значени в точках Г иwhere 1H and U2 are the current values at points G and

Д.D.

При измерении зазора Н настроенна схема фиг. 1 работает следующим образомWhen measuring the clearance H, the tuned circuit of FIG. 1 works as follows

(на фиг. 3 показаны графики напр г мии « точках А-Ж схемы фиг 1. на которой то ю А - выход генератора 1, Б - направит1 обмотки 4, В - напр жение на обмотке 11 5 Ж - на выходе перемножител 28) Гонора тор 1 вырабатывает переменное напр жение (точка А) посто нной амплитуды и частоты, которое поступает на измерительный и компенсационный блоки 2 и 3 В из 10 мерительном блоке напр жение с генератора 1 мерез разделительную емкость 6 поступает на параллельный резонансный контур, составленный из измерительной обмотки 4 и конденсатора 5. При вращении 15 турбины лопатки (фиг. 2) попадают и выход т из зоны чувствительности преобразовател . В то врем , когда лопаток в зоне нет (врем t2 на фиг. 3), амплитуда напр жени в точке Б максимальна, что соответствует резонансу. При входе одной из лопаток в зону чувствительности (врем ti) в процессе вращени турбины индуктивность обмотки 4 мен етс , и условие резонанса нарушаетс , поэтому амплитуда напр жени в точке Б уменьшаетс . Амплитудный детектор, таким образом, выдел ет в точке Г напр жение амплитуды, завис щее как от зазора Н, так и от температуры окружающей среды(Fig. 3 shows graphs, for example, at points A-Zh of the circuit of Fig 1. where A is the output of the generator 1, B sends 1 of the winding 4, C is the voltage at the winding 11 5 F is at the output of the multiplier 28) The suppressor 1 generates an alternating voltage (point A) of constant amplitude and frequency, which is supplied to the measuring and compensation units 2 and 3 V from a 10 measuring unit, the voltage from the generator 1, through the separation capacitor 6, is supplied to a parallel resonant circuit composed of the measuring winding 4 and capacitor 5. When rotating 15 turbine blade The current (Fig. 2) enters and leaves the sensitivity zone of the converter. While there are no blades in the zone (time t2 in Fig. 3), the voltage amplitude at point B is maximum, which corresponds to resonance. When one of the blades enters the sensitivity zone (time ti) during the rotation of the turbine, the inductance of winding 4 changes and the resonance condition is violated, so the voltage amplitude at point B decreases. The amplitude detector, thus, emits an amplitude voltage at point Г, which depends both on the gap H and on the ambient temperature

Аналогично измерительному блоку 2 работает компенсационный блок 3. Напр жение с генератора 1 через разделительный конденсатор 13 поступает на контур, составленный из компенсационной обмотки 11 и конденсатора 12.Compensation block 3 works similarly to measuring block 2. The voltage from the generator 1 through the isolation capacitor 13 is supplied to the circuit composed of the compensation winding 11 and capacitor 12.

Напр жени с точек Г и Д преобразуютс схемой вычитани 18 совместно с резистором 26 и источником 24 в напр жение U, определ емое из соотношени (5), в котором Ui и U2 - текущие значени соответственно в точках Г и Д во врем ti, когда лопатка находитс в зоне чувствительности Преобразовател . Схема АРУ, собранна на перемножителе 29, пиковом детекторе 30 интеграторе 31 и источнике 35 опорного напр жени , производит преобразование напр жени U и Уз, определ емое из соотношени The voltages from points G and D are transformed by the subtraction circuit 18 together with the resistor 26 and the source 24 to the voltage U, determined from the relation (5), in which Ui and U2 are the current values at points G and D, respectively, at the time ti, when the blade is in the sensitivity zone of the Transducer. The AGC circuit, assembled on a multiplier 29, a peak detector 30 on the integrator 31, and a reference voltage source 35, converts the voltage U and Uz, determined from the relation

U3 ,U3,

Uon НзUon nz

K UlT-U2T-U0 R4 K UlT-U2T-U0 R4

Uii и U2r - текущие напр жени соответственно в точках Г и Д при выходе лопаток из зоны чувствительности преобразовател (врем t2 на фиг. 3) в про 55 цессе вращени турбин.-i.Uii and U2r are the current stresses at points G and D, respectively, when the blades exit the transducer sensitivity zone (time t2 in Fig. 3) during the process of rotation of the turbines.-I.

Таким образом, настройка прибора обеспечивает прив зку выходного напр жени Уз устройства к нулю при номинальном зазоре Н0 во врем ti и к Don во врем t2 вThus, adjusting the device ensures that the output voltage UZ of the device is tied to zero at a nominal clearance H0 at time ti and Don at time t2 at

20twenty

2525

30thirty

3535

4040

4545

50fifty

где Ki where ki

процессе вращени турбины дл любых температур , обеспечива температурную независимость показаний устройства на индикаторе 28. При этом статическа функци преобразовани зазора дл точки Е показана на фиг. 4, где Т - температура окружающей среды, а дл выходной точки Ж - на фиг. 5 дл всех температур.the process of rotation of the turbine at any temperature, ensuring the temperature independence of the readings of the device on the indicator 28. The static gap conversion function for point E is shown in FIG. 4, where T is the ambient temperature, and for the outlet point G, in FIG. 5 for all temperatures.

Автоматическа прив зка выходного напр жени в двух реперных точках обеспечивает повышение точности преобразовани в услови х произвольного мешающего воздействи вли ющих факторов. При этом исключаетс периодическа подстройка устройства , что важно при длительной непрерывной записи процессов.Automatic linking of the output voltage at two reference points provides an increase in the conversion accuracy under conditions of arbitrary interfering influence of influencing factors. At the same time, periodic adjustment of the device is excluded, which is important for continuous continuous recording of processes.

Claims

SUMMARY OF THE INVENTION A eddy current device for measuring the gap, comprising an alternating voltage generator, measuring and compensation units connected with its output, eddy current converters, a subtraction circuit and an indicator connected to their terminals, characterized in that, in order to increase the accuracy of measurement due to detuning from the interfering influence of influencing factors, the subtraction scheme is performed on the operating

an amplifier with an adjustable input divider, and the device is equipped with an adjustable constant voltage source connected to the inverting input of the operational amplifier through a resistor, and

an automatic gain control circuit with stabilization of the maximum signal level connected between the output of the subtraction circuit and the OUTPUT.

Uun25 -Vun

figure 1

A5Fig .1

and

WT,

FIG.