RU2693740C1

RU2693740C1 - Eddy current meter

Info

Publication number: RU2693740C1
Application number: RU2018121470A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Николаевич Филиппов; Вадим Евгеньевич Багдатьев
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное объединение Измерительной техники" (АО "НПО ИТ")
Priority date: 2018-06-09
Filing date: 2018-06-09
Publication date: 2019-07-04

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used to control rotation of moving metal parts. Essence of the invention consists in the fact that eddy current meter of speed and direction of rotation additionally contains winding, which is connected through connecting cable to output of additional self-contained generator and input of additional rectifier, output of which through additional pulse shaper is connected to first input of logical circuit and first input of OR element, second input of logic circuit is connected to output of first pulse former, third input of logic circuit is connected to output of OR element, and output of logic circuit is connected to additional indicator, besides, additional excitation winding is installed in one plane near main winding at distance (0.5–1)D, where D is diameter of main and additional excitation windings, at that diameter of measuring mark on shaft is equal to or greater than (2.5–3)D.EFFECT: expansion of the device functional capabilities.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля вращения движущихся металлических частей роторных машин в энергетике, турбонасосных агрегатов в нефтегазовой промышленности и других областях.The invention relates to measuring equipment and can be used to control the rotation of moving metal parts of rotary machines in the power industry, turbopump units in the oil and gas industry and other areas.

Известен измеритель скорости вращения, содержащий датчик с элементом Холла, выход которого через усилитель подключен к индикатору, постоянный магнит, магнитное поле которого связано с элементом Холла через контролируемый объект (см. Маргелов А. «Датчики положения на эффекте Холла», журнал «Электронные компоненты», №8, 2004, стр. 63-64). Изменение положения контролируемого объекта относительно элемента Холла приводит к изменению величины магнитного поля у элемента Холла, что индицируется индикатором.A rotation speed meter is known that contains a sensor with a Hall element, the output of which is connected via an amplifier to an indicator, a permanent magnet whose magnetic field is connected to the Hall element through a controlled object (see Margelov A. "Position sensors on the Hall effect", Electronic Components , No. 8, 2004, pp. 63-64). A change in the position of the object under control relative to the Hall element leads to a change in the magnitude of the magnetic field at the Hall element, which is indicated by an indicator.

Недостатками данного устройства являются ограниченные функциональные возможности измерителя и наличие постоянного магнита, который заметно усложняет конструкцию измерителя.The disadvantages of this device are the limited functionality of the meter and the presence of a permanent magnet, which significantly complicates the design of the meter.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является измеритель, содержащий вихретоковый датчик, генератор переменного напряжения, к выходу которого через соединительный кабель подключен колебательный контур, в качестве индуктивности которого используется обмотка вихретокового датчика, последовательно соединенные детектор, подключенный к колебательному контуру, и индикатор (см. патент РФ №2189585, G01N 27/90, от 20.09.2002 г.). Рабочая частота генератора настроена на резонансную частоту колебательного контура, образованного параллельным включением катушки индуктивности вихретокового датчика и входного конденсатора. Приближение металлического объекта к обмотке вихретокового датчика приводит к расстройке и увеличению потерь в колебательном контуре и, как следствие, уменьшению переменного напряжения на нем.The closest in technical essence to the claimed technical solution is a gauge containing an eddy current sensor, an alternating voltage generator, to the output of which an oscillating circuit is connected through a connecting cable, the inductance of which uses an eddy current coil, connected in series to a detector connected to an oscillating circuit, and an indicator (see patent of the Russian Federation No. 2189585, G01N 27/90, dated 09/20/2002). The operating frequency of the generator is tuned to the resonant frequency of the oscillating circuit formed by the parallel connection of the inductor coil of the eddy current probe and the input capacitor. The approximation of a metal object to the winding of the eddy current sensor leads to detuning and an increase in losses in the oscillating circuit and, as a consequence, to a decrease in the ac voltage across it.

Недостатками данного устройства являются ограниченные функциональные возможности измерителя.The disadvantages of this device are the limited functionality of the meter.

Задача, решаемая изобретением, заключается в расширении функциональных возможностей устройства, путем измерения, как скорости, так и направления вращения вала роторной машины.The problem solved by the invention is to expand the functionality of the device, by measuring both the speed and the direction of rotation of the shaft of the rotor machine.

Ожидаемый технический эффект достигается тем, что в вихретоковый измеритель, содержащий вихретоковый датчик, обмотка возбуждения которого подключена через соединительный кабель к выходу автогенератора и входу выпрямителя, выход которого через формирователь импульсов подключен к индикатору скорости, введена однотипная дополнительная обмотка, которая подключена через соединительный кабель к выходу дополнительного автогенератора и входу дополнительного выпрямителя, выход которого через дополнительный формирователь импульсов подключен к первому входу логической схемы и первому входу элемента ИЛИ, второй вход логической схемы соединен с выходом первого формирователя импульсов, третий вход логической схемы соединен с выходом элемента ИЛИ, а выход логической схемы подключен к дополнительному индикатору, кроме того, дополнительная обмотка возбуждения установлена в одной плоскости рядом с основной обмоткой на расстоянии (0,5-1) D, где D - диаметр основной и дополнительной обмоток возбуждения, при этом, диаметр измерительной метки на валу равен или больше (2,5-3)D.The expected technical effect is achieved by the fact that a eddy current meter containing an eddy current sensor whose excitation winding is connected via a connecting cable to the output of the autogenerator and the rectifier input, the output of which through the pulse shaper is connected to the speed indicator, has the same type of additional winding that is connected via a connecting cable to the output of an additional oscillator and the input of an additional rectifier, the output of which through an additional pulse shaper is connected It is compatible with the first input of the logic circuit and the first input of the OR element, the second input of the logic circuit is connected to the output of the first pulse shaper, the third input of the logic circuit is connected to the output of the OR element, and the output of the logic circuit is connected to an additional indicator; one plane near the main winding at a distance of (0.5-1) D, where D is the diameter of the main and additional excitation windings, while the diameter of the measuring mark on the shaft is equal to or greater than (2.5-3) D.

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на рисунке фиг. 1, пример исполнения вихретокового датчика - на рисунке фиг. 2.The functional diagram of the proposed device is shown in the figure of FIG. 1, an example of an eddy current sensor is shown in FIG. 2

Вихретоковый измеритель скорости и направления вращения вала содержит вихретоковый датчик 1, две однотипные обмотки возбуждения 2 и 3, которые подключены через соединительный кабель 4 к соответствующим выходам автогенераторов 5 и 6 и соответствующим входам выпрямителей 7 и 8, выходы которых соединены с соответствующими входами формирователей импульсов 9 и 10. Выход формирователя 9 подключен к индикатору скорости 11, первому входу элемента ИЛИ 12 и первому входу логической схемы 13. Выход формирователя импульсов 10 подключен к второму входу элемента ИЛИ 12 и второму входу логической схемы 13, выход которой соединен с индикатором направления вращения 14. Выход элемента ИЛИ 12 подключен к третьему входу логической схемы 13.Eddy current meter of speed and direction of rotation of the shaft contains an eddy current sensor 1, two excitation windings of the same type 2 and 3, which are connected via connecting cable 4 to the corresponding outputs of the autogenerators 5 and 6 and the corresponding inputs of the rectifiers 7 and 8, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the pulse formers 9 and 10. The output of the driver 9 is connected to the speed indicator 11, the first input of the element OR 12 and the first input of the logic circuit 13. The output of the driver of the pulses 10 is connected to the second input of the element nta OR 12 and the second input of the logic circuit 13, the output of which is connected to the indicator of the direction of rotation 14. The output of the element OR 12 is connected to the third input of the logic circuit 13.

Обмотки возбуждения 2 и 3 одинаковы и установлены в корпусе датчика 1 в одной плоскости рядом на расстоянии (0,5-l,0)D, где D - диаметр обмоток 2 и 3, и образуют чувствительные зоны датчика 1. При этом на контролируемом валу 15 установлена измерительная метка 16, равная (2,5-3)D.The excitation windings 2 and 3 are the same and are installed in the sensor housing 1 in the same plane side by side at a distance of (0.5-l, 0) D, where D is the diameter of the windings 2 and 3, and form the sensitive areas of the sensor 1. At the same time, on the controlled shaft 15, the measuring mark 16 is set to (2.5-3) D.

Чувствительные зоны вихретокового датчика 1 установлены у контролируемого металлического вала 15 на расстоянии h, обеспечивающим разную электромагнитную связь с валом 15 и измерительной меткой 16 (см. фиг. 1).The sensitive zones of the eddy current sensor 1 are installed at the monitored metal shaft 15 at a distance h, providing a different electromagnetic connection with the shaft 15 and the measuring mark 16 (see Fig. 1).

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

При подаче питания на вихретоковый измеритель скорости и направления вращения высокочастотные генераторы 5 и 6 возбуждаются на резонансных частотах колебательных контуров, образованных индуктивностями обмоток 2 и 3 датчика 1 и емкостью соединительного кабеля 4, и на обмотках 2 и 3 вихретокового датчика 1 возникают переменные напряжения Uh₂ и Uh₃ с частотой около 1 МГц. Амплитуда высокочастотного напряжения на обмотках 2 и 3 датчика 1 зависит от расстояния h до контролируемого объекта 15 и измерительной метки 16. Изменение (уменьшение) расстояния h между контролируемым объектом 15 и обмотками 2 и 3 (чувствительными зонами) датчика 1 приводит к изменению (увеличению) демпфирования обмоток 2 и 3 датчика 1 и пропорциональному изменению (уменьшению) амплитуды колебаний на входах выпрямителей 7 и 8.When power is supplied to the eddy current meter of speed and direction of rotation, high-frequency generators 5 and 6 are excited at the resonant frequencies of oscillatory circuits formed by the inductances of windings 2 and 3 of sensor 1 and the capacity of connecting cable 4, and windings 2 and 3 of eddy-current sensor 1 produce alternating voltages Uh ₂ and Uh ₃ with a frequency of about 1 MHz. The amplitude of the high-frequency voltage on the windings 2 and 3 of the sensor 1 depends on the distance h from the object under test 15 and the measuring mark 16. The change (decrease) of the distance h between the object under test 15 and the windings 2 and 3 (sensitive zones) of sensor 1 leads to a change (increase) damping windings 2 and 3 of sensor 1 and proportional to the change (decrease) of the amplitude of oscillations at the inputs of the rectifiers 7 and 8.

В исходном состоянии при выполнении измерительной метки 16 в виде углубления на валу 15, как показано на рисунке фиг. 1, чувствительная зона датчика 1 устанавливается относительно поверхности вала 15 на расстоянии h при котором переменные напряжения Uh₂ и Uh₃ минимальны. Датчик устанавливается таким образом, чтобы при вращении вала измерительная метка поочередно проходила обмотки 2 и 3 датчика 1. Тогда, когда вал 15 будет вращаться, при прохождении измерительной метки 16 переменные напряжения Uh₂и Uh₃ будут максимальны. Переменные напряжения Uh₂ и Uh₃, после выпрямления выпрямителями 7 и 8 поступают на соответствующие входы формирователей импульсов 9 и 10, где формируются одинаковые по амплитуде импульсы напряжения, сдвинутые друг относительно друга на время Δt=(0,5-1)D/D_B*1/ω, где D_В - диаметр вала 15, ω - частота вращения вала 15. Импульсы напряжения U9, U10 будут формироваться при каждом обороте вала 15 при прохождении измерительной метки 16. Импульсы напряжения U9, U10 поступают на входы элемента ИЛИ 12 и соответствующие входы логической схемы 13. Кроме того, импульсы напряжения U9 поступают на индикатор 11, который регистрирует их количество в единицу времени (скорость вращения) в цифровом или аналоговом виде.In the initial state, when the measuring mark 16 is executed in the form of a recess on the shaft 15, as shown in FIG. 1, the sensitive area of the sensor 1 is set relative to the surface of the shaft 15 at a distance h at which the variable voltages Uh ₂ and Uh _{3 are} minimal. The sensor is installed so that when the shaft rotates, the measuring mark alternately passes windings 2 and 3 of sensor 1. Then, when shaft 15 rotates, as the measuring mark 16 passes, the alternating voltages Uh ₂ and Uh ₃ will be maximum. The alternating voltages Uh ₂ and Uh ₃ , after being rectified by rectifiers 7 and 8, arrive at the corresponding inputs of pulse shapers 9 and 10, where voltage pulses of the same amplitude are shifted relative to each other by the time Δt = (0.5-1) D / D _B * 1 / ω, where D _B is the shaft diameter 15, ω is the shaft rotation frequency 15. The voltage pulses U9, U10 will be generated with each rotation of the shaft 15 as the measuring mark 16 passes. The voltage pulses U9, U10 arrive at the inputs of the element OR 12 and the corresponding inputs of the logic circuit 13. In addition, the voltage pulses Uenia U9 arrive at indicator 11, which registers their number per unit of time (rotational speed) in digital or analog form.

Логический элемент ИЛИ 12 и логическая схема 13 выделяют приоритет прохождения импульса напряжения U9 или U10 в зависимости от направления вращения вала 15. Например, при вращении вала 15 по часовой стрелке, на выходе логической схемы 13 вырабатывается логическая единица (высокий уровень напряжения), а при вращении вала против часовой стрелки, логическая схема 13 вырабатывает логический ноль (низкий уровень напряжения), который регистрируется индикатором 14.The logical element OR 12 and the logic circuit 13 give priority to the passage of a voltage pulse U9 or U10, depending on the direction of rotation of the shaft 15. For example, when the shaft 15 rotates clockwise, the logic unit 13 produces a logical unit (high voltage level), and rotating the shaft counterclockwise, the logic circuit 13 generates a logical zero (low voltage level), which is registered by the indicator 14.

В реальной конструкции датчика 1 использованы обмотки 2 и 3 диаметром 4-6 мм, которые содержат по 40-100 витков. При этом диаметр корпуса датчика составил 18-20 мм.In the actual design of the sensor 1 used windings 2 and 3 with a diameter of 4-6 mm, which contain 40-100 turns. The diameter of the sensor body was 18-20 mm.

Введение и соответствующее подключение новых элементов в вихретоковый измеритель обеспечивает расширение его функциональных возможностей за счет индикации направления вращения вала силовых роторных машин и турбонасосных агрегатов. Кроме того, наличие сдвоенного вихретокового датчика и дополнительного канала измерений позволяет измерять как большую (рабочую) скорость вращения ротора, так и малую скорость вращения ротора при проведении профилактических работ на турбине.The introduction and appropriate connection of new elements into the eddy current meter provides an extension of its functionality by indicating the direction of rotation of the shaft of power rotary machines and turbopump units. In addition, the presence of a dual eddy current sensor and an additional measurement channel allows you to measure both the large (working) rotor speed and the low rotor speed during maintenance work on the turbine.

Claims

Eddy current meter of speed and direction of rotation, containing an eddy current sensor, the excitation winding of which is connected through a connecting cable to the output of the auto generator and the rectifier input, the output of which is connected to the speed indicator through the pulse shaper, which is connected to the eddy current sensor of the same type of additional winding connected through connecting cable to the output of the additional autogenerator and the input of the additional rectifier, the output of which through the additional form The pulse generator is connected to the first input of the logic circuit and the first input of the OR element, the second input of the logic circuit is connected to the output of the first pulse shaper, the third input of the logic circuit is connected to the output of the OR element, and the output of the logic circuit is connected to an additional indicator, in addition, an additional excitation winding installed in the same plane near the main winding at a distance of (0.5-1) D, where D is the diameter of the main and additional excitation windings, and the diameter of the measuring mark on the shaft is equal to or b More than (2.5-3) D.