pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2020-11-1-33-41pimi-637Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsИзмерительный преобразователь для ёмкостного сенсора воздушного зазора в гидрогенератореMeasuring Transducer for Air Gap Capacitive Sensor in HydrogeneratorЛевицкийА. С.LevytskyiA. S.

пр. Победы, 56, г. Киев 03680

ЗайцевЕ. А.ZaitsevI. O.

Адрес для переписки:  Е.А. Зайцев – Институт электродинамики НАН Украины, пр. Победы, 56, г. Киев 03680, Украина.    e-mail: zaitsev@i.ua

Address for correspondence: I.O. Zaitsev – The Institute of Electrodynamics of the NAS of Ukraine, Peremogy Ave., 56, Kyiv 03057, Ukraine.     e-mail: zaitsev@i.ua

zaitsev@i.uaБерезниченкоВ. А.BereznychenkoV. O.

пр. Победы, 56, г. Киев 03680

СухоруковаА. Е.SukhorukovaO. E.

пр. Победы, 56, г. Киев 03680

Институт электродинамики Национальной академии наук УкраиныУкраинаInstitute of Electrodynamics of the National Academy of Science of UkraineUkraine2020170320201113341Copyright © Левицкий А.С., Зайцев Е.А., Березниченко В.А., Сухорукова А.Е., 20202020Левицкий А.С., Зайцев Е.А., Березниченко В.А., Сухорукова А.Е.Levytskyi A.S., Zaitsev I.O., Bereznychenko V.O., Sukhorukova O.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/637

Одним из важнейших параметров мощных гидрогенераторов является воздушный зазор между ротором и статором, и его отклонение от заданных норм является дефектом, который может привести к серьёзным авариям. Поэтому величину и форму зазора необходимо контролировать как во время осмотров, так и при эксплуатации машины. Целью данной работы являлась разработка вторичного измерительного преобразователя, обеспечивающего точность и разрешающую способность, для ёмкостного сенсора зазора, образованного компланарными параллельными электродами.

Рассматриваются особенности измерения воздушного зазора в мощных гидрогенераторах, а также существующие современные методы и средства измерений. Показано, что для измерения зазора в гидрогенераторах одним из наиболее подходящих средств является измеритель, в состав которого входит ёмкостный сенсор, устанавливаемый на расточке сердечника статора. Серийно выпускаемые измерители зазора с ёмкостными сенсорами по своим некоторым характеристикам не всегда подходят для использования в гидрогенераторах.

Предложен вторичный измерительный преобразователь с улучшенными характеристиками для ёмкостного сенсора зазора, образованного компланарными параллельными электродами.

Преобразователь разработан на основе уравновешенной компенсационно-мостовой измерительной цепи с формированием управляющего воздействия по фазе сигнала неравновесия. Приведена структурная схема преобразователя и описан алгоритм её работы. Рассмотрен процесс формирования в схеме измерительного выходного сигнала, пропорционального рабочей ёмкости сенсора.

Применение ёмкостного сенсора с компланарными параллельными электродами и предложенного вторичного измерительного преобразователя позволит обеспечить высокую точность и разрешающую способность при измерении воздушного зазора.

One of the most important parameters of powerful hydro generators (HG) is the air gap between the rotor and the stator, and its deviation from the set norms is a defect that can lead to serious accidents. Therefore, the size and shape of the gap must be monitored both during inspections and during operation of the machine. The aim of this paper was to develop a secondary measuring transducer providing accuracy and resolution for a capacitive gap sensor formed by coplanar parallel electrodes.

It is shown that the reliability and safety of operation of powerful HG inextricably depend on the timely detection of their defects, especially during operation. One of the most important parameters of the HG is the air gap between the rotor and the stator, and its deviation from the set norms is a defect that can lead to serious accidents. Therefore, the size and shape of the gap must be monitored both: during inspections and during operation of the machine. The paper discusses the features of measuring the air gap in a powerful HG, as well as existing modern methods and means of measurement.

It is shown that for measuring the gap in capsule HG, one of the most suitable means is a meter, which includes a capacitive sensor mounted on a central bore of the stator core. Commercially available gap meters with capacitive sensors are not suitable for use on HGs. Commercially available meters with capacitive sensors, by their certain characteristics, are not always suitable for use on HGs.

A secondary measuring transducer with improved characteristics is proposed for a capacitive gap sensor formed by coplanar parallel electrodes.

The converter is developed on the basis of a balanced compensation bridge measuring circuit. The control action in the device is formed by the phase of the unbalancing signal.

The structural diagram of the converter is presented and the algorithm of its operation is described. The process of forming a measuring output signal proportional to the sensor working capacitance in the circuit is considered.

The use of a capacitive sensor with coplanar parallel electrodes and the proposed secondary measuring transducer will ensure high accuracy and resolution when measuring the air gap.

гидрогенераторвоздушный зазорёмкостный сенсоризмерительный преобразовательhydro generatorair gapcapacitive sensormeasuring transducer.ReferencesАлексеев, Б.А. Определение состояния (диагностика) крупных гидрогенераторов. – 2-е изд., стер. / Б.А. Алексеев – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. – 144 с.Alekseev B.A. Opredelenie sostoyaniya (diagnostika) krupnyih gidrogeneratorov [Determining the status (diagnostics) of large hydro generators]. ENAS, 2002, 144 p.Левицький, А.С. Контроль стану потужних гідрота турбогенераторів за допомогою ємнісних вимірювачів параметрів механічних дефектів / А.С. Левицький, Г.М. Федоренко, О.П. Грубой. – К.: Ін-т електродинаміки НАН України, 2011. – 242 с.Levytskyi A.S, Fedorenko G.M. Gruboj O.P. Kontrol stanu potuzhnykh hidrota turboheneratoriv za dopomohoyu yemnisnykh vymiryuvachiv parametriv mekhanichnykh defektiv [Monitoring of the status of powerful hydro and turbo generators using capacitive meter for the parameters of mechanical defects]. ІED NANU Publ., 2011, 242 р.Cerpinska, M. Dynamic air gap chance of lowspeed generator considering thermal expansion, centrifugal force and magnetic force effects / M. Cerpinska, R. Elmanis-Helmanis // Latvian journal of physics and technical sciences. – 2017. – No. 5. – P. 26–37. DOI: 10.1515/lpts-2017-0031Cerpinska M., Elmanis-Helmanis R. Dynamic air gap chance of low-speed generator considering thermal expansion, centrifugal force and magnetic force effects. Latvian journal of physics and technical sciences, 2017, no. 5, pp. 26–37. DOI: 10.1515/lpts-2017-0031Adamowski, J.С. Ultrasonic dynamic airgap monitoring system for large hydro-generators / J.C. Adamowski [et al.] // In IEEE Joint UFFC, EFTF and PFM Symposium, 2013, Prague, Czech Republic. 21–25 July 2013. – P. 1311–1314. DOI: 10.1109/ULTSYM.2013.0335Adamowski J.C., Souza A.T., Perez N., Lima A.A., Oda P.D., Tiba H.H. Ultrasonic dynamic air-gap monitoring system for large hydro-generators. In IEEE Joint UFFC, EFTF and PFM Symposium, 2013, Prague, Czech Republic, 21–25 July 2013, pp. 1311–1314. DOI: 10.1109/ULTSYM.2013.0335Kokoko, O. Analysis of air-gap influence on a large hydro generator’s parameters using sud-den symmetrical short-circuit test / O. Kokoko [et al.] // In 2015 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC). 10–13 May 2015. – P. 102–107. DOI: 10.1109/IEMDC.2015.7409044Kokoko O., Merkhouf A., Tounzi A., Al-Haddad K., Guillot E. Analysis of air-gap influence on a large hydro generator’s parameters using sudden symmetrical short-circuit test. In 2015 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), 10–13 May 2015, pp. 102–107. DOI: 10.1109/IEMDC.2015.7409044VM™6.1 Capacitive Air Gap Measuring Chains. User’s Manual. VibroSystM, Canada, 2017, 12 p.VM™6.1 Capacitive Air Gap Measuring Chains. User’s Manual. VibroSystM, Canada, 2017, 12 p.4000 Series Air Gap Sensor System Datasheet Bently Nevada Machinery Condition Monitoing. BentlyNevada, Nevada USA, 2019, 18 p.4000 Series Air Gap Sensor System Datasheet Bently Nevada Machinery Condition Monitoing. BentlyNevada, Nevada USA, 2019, 18 p.Iris power capacitive air gap sensors. Iris Power, Canada, 2016, 4 p.Iris power capacitive air gap sensors. Iris Power, Canada, 2016, 4 p.Air Gap Measuring System LS 120-121 Transducers & ILS 730-731 Conditioners. Vibro-Meter SA, Switzerland, 2012, 4 p.Air Gap Measuring System LS 120-121 Transducers & ILS 730-731 Conditioners. Vibro-Meter SA, Switzerland, 2012, 4 p.Левицький, А.С. Визначення функції перетворення ємнісного сенсора повітряного зазору в гідрогенераторі СГК 538/160-70М / А.С. Левицький, Є.О. Зайцев, Б.А. Кромпляс // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук. – 2016. – № 43. – С. 134–136.Levytskyi A.S., Zaitsev I.O., Kromplyas B.A. Viznachennya funktsiyi peretvorennya Emnisnogo sensora povitryanogo zazoru v gidrogeneratori SGK 538/16070M [Determination of the response characteristic of the capacitive sensor of the air gap in the hydrogenerator SGK 538/160-70М]. Pratsi Instytutu elektrodynamiky Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy, 2016, no. 43, pp. 134–137 (in Ukrainian).Джежора, А.А. Электроемкостные преобразователи и методы их расчета / А.А. Джежора. – Минск: Белорусская наука. – 2008. – 305 с.Jezhora A.A. Elektroemkostnye preobrazovateli i metody ikh rascheta [Electrocapacitance Transducers and Methods of Their Calculation]. Minsk: Bel. Nauka Publ., 2007, 305 p.Xiaohui, H. Planar capacitive sensors – designs and applications / H. Xiaohui, Y. Wuqiang // Sensor Review. – 2010. – No. 30(1). – P. 24–39. DOI: 10.1108/02602281011010772Xiaohui H., Wuqiang Y. Planar capacitive sensors – designs and applications. Sensor Review, 2010, no. 30(1), pp. 24–39. DOI: 10.1108/02602281011010772Mamishev, A.V. Interdigital Sensors and Transducers / A.V. Mamishev [et al.] // Proceeding of the IEEE. – 2004. – Vol. 92, no. 5. – P. 808–845. DOI: 10.1109/JPROC.2004.826603Mamishev A.V., Sundara-Rajan K., Yang F., Du Y., Zahn M. Interdigital Sensors and Transducers. Proceeding of the IEEE, 2004, vol. 92, no. 5, pp. 808–845. DOI: 10.1109/JPROC.2004.826603Yonggang, H. Analysis of a concentric coplanar capacitor for epidermal hydration sensing. Sensors and Actuators / H. Yonggang [et al.] // A203: Physical. – 2013. – P. 149–153. DOI: 10.1016/j.sna.2013.08.037Cheng H., Yihui Z., Xian H., John A.R., Yonggang H. Analysis of a concentric coplanar capacitor for epidermal hydration sensing. Sensors and Actuators A203: Physical,2013, pp. 149–153. DOI: 10.1016/j.sna.2013.08.037Amr, N.A. Improved interdigital sensors for structural health monitoring of composite retrofit systems / N.A. Amr, W. Wael // Journal of Reinforced Plastics and Composite. – 2011. – No. 30(7). – P. 621–629. DOI: 10.1177/0731684411399944Amr N.A., Wael W. Improved interdigital sensors for structural health monitoring of composite retrofit systems. Journal of Reinforced Plastics and Composite, 2011, no. 30(7), pp. 621–629. DOI: 10.1177/0731684411399944Chen, T. Capacitive sensors for measuring complex permittivity of planar and cylindrical structures / T. Chen. – Iowa: Iowa State University. – 2012. – 204 p.Chen T. Capacitive sensors for measuring complex permittivity of planar and cylindrical structures. Iowa State University, 2012, 204 p.Sheiretov, Y. Modeling of Spatially Periodic Dielectric Sensors in the Presence of a Top Ground Plane Bounding the Test Dielectric / Y. Sheiretov, M. Zahn // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. – 2005. – Vol. 12, no. 5. – P. 993–1004. DOI: 10.1109/TDEI.2005.1522192Sheiretov Y., Zahn M. Modeling of Spatially Periodic Dielectric Sensors in the Presence of a Top Ground Plane Bounding the Test Dielectric. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, vol. 12, no. 5, pp. 993–1004. DOI: 10.1109/TDEI.2005.1522192Xiaobei, Li. Design Principles for Multicuhannel Fringing Electric Field Sensors / Li. Xiaobei [et al.] // IEEE Sensors journal. – 2006. – Vol. 6, no. 2. – P. 434– 440. DOI: 10.1109/JSEN.2006.870161Xiaobei Li, Larson S., Zyuzin A., Mamishev A.V. Design Principles for Multicuhannel Fringing Electric Field Sensors. IEEE Sensors jornal, 2006, vol. 6, no. 2, pp. 434–440. DOI: 10.1109/JSEN.2006.870161Chen, T. Analysis of a concentric coplanar capacitive sensor for nondestructive evaluation of multilayered dielectric structures / T. Chen, N. Bowler // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. – 2010. – Vol. 17, no. 4. – P. 1307–1318. DOI: 10.1109/TDEI.2010.5539703Chen T., Bowler N. Analysis of a concentric coplanar capacitive sensor for nondestructive evaluation of multilayered dielectric structures. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2010, vol. 17, no. 4, pp. 1307–1318. DOI: 10.1109/TDEI.2010.5539703Новик, А.И. Особенности построения измерительных цепей для работы с ёмкостными датчиками / А.И. Новик [и др.] // Технічна електродинаміка. – 2005. – № 1. – С. 66–70.Novik A.I., Kolupaev Yu.P., Nuzhnenko V.V., Stadnik A.V. Osobennosti postroeniya izmeritelnyih tsepey dlya rabotyi s emkostnyimi datchikami [Features of construction of meter circuits for use with capacitive sensors]. Tekhnichna Elektrodynamika, 2005, no. 1, pp. 66–70 (in Russian).Zaitsev, Ie.O. Research of a Capacitive Distance Sensor to Grounded Surface / Ie.O. Zaitsev [et al.] // Telecommunications and Radio Engineering. – 2019. – Vol. 78, no. 2. – P. 173–180. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v78.i2.80Zaitsev Ie.O., Levytskyi A.S., Novik A.I., Bereznychenko V.O., Smyrnova A.M. Research of a Capacitive Distance Sensor to Grounded Surface. Telecommunications and Radio Engineering, 2019, vol. 78, no. 2. pp. 173–180. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v78.i2.80

The authors declare that there are no conflicts of interest present.