Датчики виброперемещения (вибросмещения)

В качестве датчиков виброперемещения и осевого сдвига в на-

стоящее время преимущественно используются вихретоковые дат-

чики. Общий принцип действия вихретоковых преобразователей

(ВТП) достаточно прост и подробно рассмотрен в гл. 2. Устройства

для измерения осевого сдвига на основе ВТП часто называются прок-

симетрами.

Вихретоковый вибродатчик конструктивно представляет собой

катушку индуктивности, подключенную к высокочастотному генера-

тору. Внешне катушка напоминает резьбовую шпильку, что сделано

для удобства установки необходимого начального зазора с контроли-

руемым валом. При приближении к торцу катушки стального масси-

ва, например вала или другого элемента конструкции, происходит

изменение индуктивности катушки-датчика за счет изменения вели-

чины вихревых потоков рассеивания, замыкающихся через массив.

Такие датчики в настоящее время широко используются для контро-

ля осевого сдвига мощных компрессоров и для контроля вибропере-

мещения валов в них. Катушка крепится на корпусе компрессора.

Вихретоковый датчик в этом случае контролирует относительное

перемещение вала относительно корпуса компрессора в направлении

оси датчика — шпильки.

Устройство для контроля вибрации центробежного нагнетателя

газоперекачивающего агрегата (рис. 7.1, а) содержит две пары вихре-

токовых преобразователей относительной вибрации 2, 5 и 7, 7, уста-

новленных в теле корпусов подшипников 3 вала 4 нагнетателя;

электронные блоки 8, 9, Юта 11, соединенные с ВТП; блок обработ-

ки сигналов 12; многоканальный вторичный электронный прибор 13;

регистратор вибрации 14; электронный осциллографический инди-

катор формы колебаний вала 15. В торцах ВТП расположены плоские

катушки 6, намотанные тонким проводом и питаемые напряжением

высокой частоты (1... 1,5 МГц) от электронных блоков 8... 11. Как

уже отмечалось, принцип действия ВТП основан на преобразовании

значения зазора между торцом преобразователя и объектом контро-

ля в выходное напряжение. Генераторы электронных блоков 8...11

вырабатывают высокочастотный сигнал, поступающий на катушку 6,

которая в окружающем пространстве создает магнитное поле. При

отсутствии вблизи катушки металла потери мощности радиочастот-

ного сигнала также отсутствуют и выходное напряжение генератора

максимально. При приближении к рабочему торцу катушки прово-

дящего материала, каким является вал нагнетателя, вихревые токи,

генерируемые в поверхности материала, приводят к потере мощности

сигнала и пропорциональному уменьшению выходного напряжения

генератора. При достаточно малых зазорах вся мощность генератора

поглощается проводящей поверхностью.

В каждой точке контроля вибрации устанавливаются два ВТП, рас-

положенные под прямым углом. Преобразователи 5 и 7 служат для

измерения вертикальной составляющей вибрации, а 1 и 2 — горизон-

тальной. Все ВТП устанавливаются в теле корпусов подшипников с

постоянным зазором δ, равным 1... 1,2 мм. В исходном положении,

когда вал 4 нагнетателя неподвижен, при заданных зазорах δ между

поверхностью вала и торцами ВТП на выходе электронных блоков

8... 11 формируется напряжение постоянного тока Uвых, пропорцио-

нальное зазору δ. По шкалам вторичного прибора 13 можно опреде-

лить размеры всех зазоров между поверхностью вала 4 и торцами ВТП

(выбор ВТП осуществляется с помощью переключателя каналов из-

мерения). При вращении вала с частотой со вследствие колебания

поверхности вала относительно корпусов подшипников расстояние

8 между поверхностью вала и торцами ВТП изменяется, что приводит

к изменению добротности колебательных контуров, образованных

элементами в электронных блоках 8... 11 и катушками 6 в торцах

ВТП. Зависимость выходных напряжений U электронных блоков от

зазора δ (для одного преобразователя) приведена на рис. 7.1, б. При

неподвижном вале нагнетателя и зазоре δср между торцом ВТП и по-

верхностью вала на выходе электронных блоков 8... 11 устанавлива-

ется напряжение постоянного тока UCp, пропорциональное зазору δср

(прямые 2 и 3 соответственно). При вращении вала зазор δ изменя-

ется (кривая 4), что приводит к пропорциональному изменению

выходного напряжения электронного блока (кривая 1) по закону из-

менения зазора между катушкой ВТП и поверхностью вала.

Чувствительность ВТП в комплекте с электронными блоками обе-

спечивает надежное измерение колебаний вала в диапазоне от 0 до

150 мкм. Выходные сигналы всех электронных блоков подаются на

блок обработки сигналов 12 (см. рис. 7.1, а), который обеспечивает

преимущественное выделение максимального сигнала для каждой

пары ВТП, пропорционального максимальному биению вала. Вто-

ричный прибор 13 обеспечивает возможность отсчета колебаний вала

по каждому каналу в микрометрах, измерения зазоров в миллиметрах,

световую предупредительную и аварийную сигнализации, а также

формирование выходных релейных сигналов при достижении коле-

баниями вала предупредительного или аварийного значения, которые

подаются в систему защиты газоперекачивающего агрегата по уровню

вибрации.

Зависимость выходного сигнала вихревого датчика от расстояния

между катушкой и массивным элементом конструкции (чаще всего

вала) нелинейна, что является его недостатком.

Вихретоковый датчик измеряет не абсолютное перемещение вала

в неподвижных координатах, а относительное вибросмещение,

определяемое в системе координат точки крепления катушки датчи-

ка. При общепринятом стандартном способе монтажа датчика не-

подвижная система координат связана с корпусом компрессора.

С одной стороны, это является достоинством установки проксиметра,

так как происходит прямое измерение зазора между валом и корпу-

сом, но, с другой стороны, это и очень большой недостаток, резко

снижающий возможности диагностики состояния компрессора.

Во-первых, в этом случае в регистрируемый вибросигнал вносится

значительная погрешность из-за большого количества помех. При-

чина этих помех заключается в том, что вибрации корпуса компрес-

сора с закрепленным датчиком воспринимаются измерительной

системой как вибрации вала, и разделить их не представляется воз-

можным. Во-вторых, при использовании в качестве вибродатчиков

ВТП из диагностирования исключается большой и информативный

класс высокочастотных вибраций. Это происходит потому, что ча-

стотный диапазон даже самых лучших проксиметров является очень

узким и обычно не превышает 1 ООО Гц. Для высокоскоростного ком-

прессора, например при 15 000 об/мин, могут регистрироваться

только гармоники не выше третьей-четвертой. Как результат, более

половины всех возможных причин возникновения повышенной виб-

рации в компрессоре выпадает из рассмотрения (состояние зубчатой

пары мультипликатора, проблемы монтажа компрессора, связанные

с вибрацией непосредственно корпуса компрессора, на котором

монтируется датчик-катушка).

Рядом известных фирм, работающих в области вибродиагностики,

наработан значительный диагностический аппарат, диаг ностические

правила, по которым при помощи информации с проксиметров мож-

но выполнить диагностику некоторых дефектов. Основу такой диаг-

ностики составляет рассмотрение на экране осциллографа динами-

ческой траектории движения контролируемого вала в двух коорди-

натах, которую можно построить по данным двух взаимно

перпендикулярных датчиков, используя вибросигналы для «разверт-

ки» луча на экране. Тем не менее возможности вибродиагностики с

помощью проксиметров весьма ограничены по сравнению с другими

средствами измерения.

Оптимальная область применения вихретоковых вибродатчиков-

проксиметров в вибродиагностике — это контроль осевого сдвига

валов.