научная статья по теме ДАТЧИКИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ Энергетика
Текст научной статьи на тему «ДАТЧИКИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ»
ДАТЧИКИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
В. Л. Кирьянов, В. Н. Колганов, Н. Д. Конаков, А. В. Куприянов
Разработан ряд бесконтактных датчиков частоты вращения на основе различных методов преобразования. Рассмотрены датчики частоты вращения индукционного и гальваномагнитного типа, приведены их основные технические характеристики и отличительные особенности. Представлены новые разработки волоконно-оптических датчиков частоты вращения отражательного типа и датчиков на базе магнитооптических феррит-гранатовых структур, приведены конструкции первичных преобразователей.
Ключевые слова: датчик частоты вращения, индукционный датчик, гальваномагнитный датчик, волоконно-оптический датчик отражательного типа, эффект Фарадея, магнитооптический датчик, феррит-гранатовая структура.
Датчики для измерения динамических характеристик силовых установок изделий ракетно-космической техники (РКТ) являются важным звеном в решении проблем автоматизации систем управления и мониторинга сложными объектами. Следует особо отметить применение указанных датчиков при поиске неисправностей и диагностике изделий РКТ, возможное в связи с тем, что частота вращения или биение валов силовой установки содержат информацию о ее состоянии. Важность контроля динамических характеристик объясняется также и тем, что при работе двигательных установок во вращающихся узлах
возникают силы инерции, которые могут привести к появлению напряжений, превышающих пределы прочности конструкции, а длительное воздействие инерционных сил может вызвать усталостное разрушение материала.
В ОАО "НИИФИ" для применения в изделиях РКТ разработан ряд бесконтактных датчиков частоты вращения (ДЧВ) с использованием различных методов преобразования, отличающихся повышенной механической прочностью, расширенным диапазоном рабочих температур и надежностью.
Датчики частоты вращения Вт 1856; ОГ 018; ОГ 025; ОГ 026;
ОГ 027 (см. табл. 1) являются датчиками индукционного типа, в основу которых положен принцип генерации ЭДС в обмотке датчика при взаимодействии магнитной системы датчика с ферромагнитными вставками вращающегося объекта. Датчики не требуют источника питания, надежны и просты по конструкции, работоспособны в условиях жестких вибрационных и ударных нагрузок в широких диапазонах температур.
Для примера рассмотрим датчик Вт 1856 (рис. 1). Он состоит из чувствительного элемента, помещенного в корпус 1, кабельной перемычки 3 и вилки 4. Чувствитель-
Основные технические характеристики датчиков частоты вращения
Параметр Тип датчика
Вт 1856 ОГ 025 ОГ 026 ОМ 005 ОМ 006
Диапазон измерения, об/мин 3000. 60 000 500. 130 000 150. 40 000 60. 60 000
Рабочий зазор, мм 0. 3 0. 1,2 0. 6,5 0,8. 5 1. 2
Ток питания, мА - - - 3,5 ± 0,5
Амплитуда импульса выходного сигнала, В Не менее 0,1 Не менее 0,110 0,01. 3 Не менее 1 0,1. 1
Температура окружающей среды, °С —60. +100 -123. +127 (рабочей части -253. + 127) -60. +70 (рабочей части -194. -188) Рабочей части -196. +80 Рабочей части —196. +60 или —60. +150 в зависимости от варианта исполнения
Вибрационные ускорения, м/с2, не более 3000 1000
Ударные ускорения, м/с2, не более — 1500
Масса, кг 0,140 0,1 0,05 0,09
Sensors & Systems • № 9.2012
Рис. 1. Чувствительный элемент датчика Вт 1856:
1 — корпус; 2 — экран; 3 — провод; 4 — катушка индуктивности; 5 — каркас; 6 — сердечник (сталь 20Х13); 7 — сердечник из магнитотвердого материала
ный элемент представляет собой постоянный магнит 7, на полюсе которого находится каркас 5 катушки с рабочей обмоткой 4. К выводам обмотки припаяны провода 3, которые проложены в трубке кабельной перемычки, концы проводов распаяны на контакты вилки РСГ4ТВ. При вращении ротора, установленного на валу двигателя и изготовленного из стали 12Х18Н10Т с равномерно расположенными по окружности вставками из ферромагнитного материала (сталь 20Х13), в обмотке датчика в соответствии с законом электромагнитной индукции наводится ЭДС в виде биполярных импульсов, частота следования которых пропорциональна частоте вращения вала.
Одной из задач, решаемой ДЧВ на изделиях РКТ, является измерение частоты вращения турбонасос-ных агрегатов ракетных двигателей. Из-за высокой скорости выхода на номинальный режим большинство отказов в работе турбонасосных агрегатов происходит на участке разгона. Поэтому измерение частоты вращения, начиная с малых частот, практически с момента трогания, является актуальной задачей при отработке двигательных установок. Однако индукционный метод преобразования, при котором наводимая ЭДС находится в прямо пропорциональной зависимости от скорости изменения магнитного потока, неприемлем для измерения малых частот вращения. Поэтому были разработаны датчики ОМ 005; ОМ 006
(см. табл. 1), в которых в качестве чувствительного элемента использован магнитодиод, позволяющий обеспечить нижнюю границу диапазона измерения, равную 60 об/мин.
Датчик ОМ 006 предназначен для бесконтактного преобразования частоты вращения вала в частоту следования электрических импульсов при работе в составе систем контроля, управления и аварийной защиты ракетных двигателей. Конструкция чувствительного элемента датчика показана на рис. 2. Чувствительный элемент размещен внутри металлического корпуса и состоит из постоянного магнита 1, концентратора 2 и измерительного модуля 4. В основу принципа работы датчика положен гальваномагнитный метод измерения, заключающийся в изменении концентрации носителей полупроводника с неравновесной проводимостью при изменении магнитного поля, пронизывающего тело полупроводника.
В качестве магниточувствитель-ного элемента используется модуль измерительный МИ3, который расположен на торцевой поверхности концентратора 2 в зоне модуляции магнитного потока. Датчик работает следующим образом. При вращении ротора, представляющего собой диск из немагнитного материала с радиально расположенной магнитной вставкой (КСДГ-25-МД), в момент прохождения магнитной вставки через ось датчика происходит резкое изменение индукции магнитного поля в месте установки датчика, которое вызывает изменение падения напряжения на модуле МИ3.
Еще одним перспективным направлением проводимых в ОАО "НИИФИ" работ по созданию ДЧВ является разработка волоконно-оптических ДЧВ, обладающих высокой чувствительностью при малых габаритах, нечувствительностью к электромагнитным помехам, искро-взрывобезопасностью, широкими возможностями согласования с различными электронными устройствами, наличием гальванической развязки между приемными и передающими каналами. Основные технические характеристики вновь разработанных волоконно-оптических ДЧВ приведены в табл. 2.
Датчик ОО 023 состоит из чувствительного элемента, блока электроники и кабеля, осуществляющего разъемное соединение между ними. Чувствительный элемент (рис. 3) представляет собой фотоэлектрический преобразователь частоты вращения отражательного типа, оснащенный волоконно-оптическими
Рис. 2. Чувствительный элемент датчика ОМ 006:
1 — сердечник из магнитотвердого материала; 2 — концентратор (сплав 79 НМ); 3 — втулка; 4 — модуль измерительный МИ3; 5 — провод МС 16-15
Основные технические характеристики волоконно-оптических датчиков
Параметр Тип датчика
Диапазон измерения, об/мин Рабочий зазор, мм Амплитуда импульса выходного сигнала, В Для чувствительного элемента: температура окружающей среды, °С вибрационные ускорения, м/с2, не более 0. 37 500 0. 4 4. 6 От -183 до +100 6000 0. 60 000 1. 6 0,5. 5 От -50 до +50 3000
средствами ввода и вывода излучения от объекта измерения.
В основу работы датчика положен принцип светолокации от поверхности ротора-модулятора, установленного на валу двигательной установки и имеющего участки с разным коэффициентом отражения. Световой поток от излучателя 5, проходя по одному передающему каналу волоконно-оптического коллектора 2, модулируется отражаю -щими метками (выступами), нанесенными на объект измерения (ротор-модулятор). С помощью второго приемного канала коллектора этот модулированный световой поток поступает на приемник 6, который вырабатывает электрический сигнал в виде импульсов с частотой, пропорциональной частоте вращения ротора-модулятора и числу отражательных меток, проходящих
перед приемными световодами волоконно-оптического коллектора.
Главным условием для работы датчика, основанного на светолока-ции, является наличие оптически прозрачной среды (воздуха, вакуума) в зазоре между торцом корпуса датчика и объектом измерения. Необходимость в соблюдении этого условия отпадает при использовании волоконно-оптических ДЧВ, принцип действия которых основан на открытом Майклом Фарадеем явлении вращения плоскости поляризации света, проходящего через материал, под действием магнитного поля [1]. Материалом с наибольшим значением постоянной Верде (величиной, характеризующей активность эффекта Фарадея для данного материала) являются эпитаксиальные пленки редкоземельных феррит-гранатов [2]. Решение технологи-
ческих проблем выращивания эпи-таксиальных пленок висмутсодержащих феррит-гранатов привело к появлению новых ферромагнетиков с высокой магнитооптической добротностью, прозрачных в инфракрасной и частично прозрачных в видимой областях спектра и открыло широкие перспективы для практического применения магнитооптических эффектов [3].
Применение в качестве чувствительного элемента в поляризационных волоконно-оптических ДЧВ магнитооптических эпитаксиальных феррит-гранатовых структур с большим значением постоянной Верде обеспечивает компактность датчика, к достоинствам которого относится также возможность использования дешевой элементной базы (многомодовых волоконных световодов и светодиодов) [4, 5].
В ОАО "НИИФИ" разработан малогабаритный и простой по конструкции первичный преобразователь на основе феррит-гранатовой структуры (рис. 4), входящий в состав магнитооптического датчика частоты вращения ДМОЧВ1. Датчик, кроме первичного преобразователя включает блок электроники и многомодовый волок
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.