Устройство для измерения нестабильности частоты вращения вала

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51) 4. G 01 Р 3/48

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ И

Ф,:, у j

/Д

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3771958/24-10 (22) 18.07.84 (46) 15.01.86, Бюл.)(- 2 (71) Ленинградский институт авиационного приборостроения (72) А.Ю.Заозерский, А.И.Скалон, Г.В.Нежданов, А.А.Кутищев, В.M.Ромачевский, В.M.Менчиков и К.Н ° Явленский (53) 621. 317 . 76 (088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 815633, кл. G 01 P 3/49, 1981.

Авторское свидетельство СССР

М 146100, кл. Oj 01 P 3/44, 1962. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

НЕСТАБИЛЬНОСТИ. ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

ВАЛА, содержащее чувствительный элемент, жестко закрепленный на поворотной системе, образованной закрепленной на оси рамкой, компенсирующий преобразователь, связанный с поворотной системой, датчик поло. жения, включающий в себя две пары расположенных и неподвижно закрепленных излучателей и фотоприемников в зазорах между которыми помещена заслонка, жестко скрепленная с осью поворотной системы, а также регистрирующий: прибор, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности и расширения диапазона измерений в область низких частот, в него введены последовательно соединенные компаратор и ключевое устройство, стабилизированный источник тока, последовательно соединенные первая схема И, первый счетчик, схема вычитания кодов и блок вычитания, последовательно. соединенные делитель, формирователь импульсов, второй счетчик и схема запоминания, а также вторая схема И и генератор стабильных импульсов„ выход которого соединен с вторыми входами первой и второй схем И, первые входы которых соединены с выходами ключевого устройства, выход второй схемы И соединен с вторым входом первого счетчика и первым входом второго счетчика, второй вход которого соединен с выходом первой схемы И, а первый вход второй схемы И подключен к входу делителя, выход формирователя импульсов подключен к второму входу схемы запоминания, выход которой соединен с вторым входом схемы вычитания кодов и вторым входом блока вычисления, а выхоц его соединен с регистрирующим прибором,,при этом выходы фотоприемников подключены к входам компаратора, ста билизированный источник тока подклю чен к второму входу ключевого устройства, выходы которого подключены к компенсирующему преобразователю, при этом компенсирующий преобразователь выполнен в виде неподвижного постоянного магнита внутри рамки е и обмотки обратной связи, которая расположена на рамке поворотной сис. темы;

12

Изобретение относится к измери- тельной технике и может быть использовано для измерения нестабильности частоты вращения вала, например, в аппаратах магнитной записи.

Цель изобретения — повышение чувствительности и расширение диапазона измерений в сторону низких частот ращения вала.

На фиг.! представлена конструктивная. и функциональная схема устрой ства; на фиг.2 и 3 — графики, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит чувствительный элемент, состоящий из блока 1 постоянных магнитов, устанавливаемого на исследуемый вал соосно с цилиндрическим стаканом 2, жестко связанным с поворотной системой, образованной рамкой 3, закрепленной на оси 4. Ось 4 помещена в опоры 5 с возможностью поворота. Датчик положения состоит из излучателей б, фотоприемников 7 и заслонки 8, которая закреплена на оси и имеет возможность перемещения в зазорах между излучателями б и фотоприемниками 7., Компенсирующий преобразователь образован неподвижным постоянным магнитом 9 и обмоткой 10 обратной связи, расположенной на рамке

3. К выходам фотоприемников 7 подключены входы компаратора 11, выход которого соединен с первым входом ключевого устройства 12. Стабилизированный источник 13 тока подключен к второму входу ключевого устройства 12, выходы которого соединены с обмоткой 10 обратной связи. Выходы ключевого устройства 12 подключены к первым входам первой 14 и второй

15 схем И, к вторым входам которых подключен генератор 16 стабильных импульсов. Выход первой схемы И 14 присоединен к первым входам первого

17 и второго 18 счетчиков. Выход второй схемы И 15 подключен к вторым входам первого 17 и второго 18 счетчиков. Первый вход второй схемы И 15 подключен также к входу делителя 19, выход которого соединен с входом формирователя 20 импульсов. Выход последнего соединен с третьим входом второго счетчика 18 и вторым

O входом схемы 21 запоминания, первый вход которой соединен с выходом второго счетчика 18..Выход схемы 21 запоминания соединен с вторыми входами схемы 22 вычитания кодов и блс

05018

2 ка 22 вычисления. Первый вход схемы

22 вычитания кодов соединен с выходом первого счетчика 17. Первый вход блока вычисления 23 связан с выходом схемы 22 вычитания кодов, а выход — с регистрирующим прибором

24.

В качестве блока 1 постоянных t0 вх = 4 p >

40 г!5

50 магнитов используют, наприиер, многополюсный постоянный магнит с радиальной намагниченностью, установленный на исследуемом валу. Датчик положения может быть выполнен с применением в качестве излучателей б светодиодов АЛ107А, а в качестве фотоприемников 7 фототиристо» ра, входящего в состав оптрона

АОУ103А; Компаратор 11, ключевое устройство !2 и стабилизированный источник 13 тока представляют собой например, К10УД8А. Первая 14 и вторая 15 схемы И выполнены на микросхеме К155ЛАЗ. Генератор 16 стабильных импульсов собран на микросхеме К155ЛАЗ с применением кварцевого резонатора, Первый 17 и второй 18 счетчики могут быть выполнены на реверсивных счетчиках

К155ИЕ7. Делитель 19 собран на микросхеме К155ИЕ2, а формирователь

20 импульсов представляет собой ждущий мультивибратор, собранный на микросхеме К155ЛАЗ. Схема запоминания 21 может быть выполнена с применением триггеров К155ТМ5, а схему 22 вычитания кодов можно выполнить на полусумматорах — микросхемах К155ИМЗ. В качестве блока 23 .вычисления можно использовать ЭВМ, например микро-3ВМ "Электроника-60" в качестве регистрирующего прибора

24 †светолучевой осциллограф типа

Н-117. Повышение чувствительности и расширение диапазона измерений в сторону низких частот осуществляется путем использования в качестве измерительного устройства прициэионной магнитоэлектрической поворотной системы, работающей в режиме автоколебаний, При вращении вала с .угловой скоростью и„, на поворотную систему действует момент где К вЂ” коэффициент преобразования чувствительного элемента, определяд емыи конструктивными параметрами.

12 О:-О18 где З,р — среднее значение тока в обмотке обратной связи;

1 щ — коэффициент преобразования компенсирующего пре- 10 образователя.

При прямоугольных импульсах тока в обмотке обратной связи средний ток можно определить как

2(ВЬО) Р т

К кп о к Ккп о

Сравнение выражений (5) и (6 ) показывает, что, выбирая соответствующим образом параметры Т о «и o можно также повысить чувствительность устройства.

Повышение чувствительности устройства, или крутизны характеристики преобразования позволяет расширить диапазон измерения в области

30 низких частот. Это подтверждается диаграммой, приведенной на фиг.3, где прямая 1 является характеристикой.преобразования предлагаемого устройства, прямая 2 — характеристикой преобразования известного устройства, Мо — минимальная величина регистрируемого момента. При одной и той же величине Мо измеряемая частота вращения S2 у предла

40 гаемого устройства меньше частоты вращения Р у известного устройства.

Применение в устройстве компенсирующего преобразователя с неподвижным постоянным магнитом и по45 движной рамкой позволяет снизить момент инерции поворотной системы, что также дает возможность повысить чувствительность устройства. Исполь зование фотоприемников — фототири50 сторов и подключение их к входам компаратора, имеющего незначительную зону нечувствительности, понижает зону неопределенности срабатывания фотоэлектрического дат55 чика положения. Это приводит к повышению чувствительности датчика положения, а следовательно, всего устройства.

Кт

"2. y, вР вР кп о

Этот момент уравновешивается компенсирующим преобразователем, создающим момент (3) о где о — ток стабилизированного источника тока; с,и z — длительности импульсов пря= мого и обратного тока;

Т; —, — период автоколебаний поворотной системы.

Поскольку в режиме динамического равновесия Мв„= М, то из соотношений (1) — (3) следует, что

Таким образом, разность длительности выходных импульсов устройства, работающего в режиме автоколебаний, пропорциональна величине мгновенной угловой скорости исследуемого вала, т.е. разность Я, - ь определяет мгновенную частоту вращения вала.

Использование в устройстве режи ма автоколебаний позволяет существен

1но повысить чувствительность. Как видно из (1), момент, создаваемый в

1магнитоиндукционном чувствительном элементе, пропорционален угловой скорости перемещения блока постоянных магнитов относительно цилиндрического стакана. Поскольку цилиндрический стакан закреплен на поворотной системе, он совершает вместе ,с ней колебательное движение с частотой ы, а блок постоянных магнитов, закрепленный на исследуемом валу, движется с частотой ув

Таким образом, значительно возрастает относительная скорость движения указанных элементов, что и приводит к увеличению величины взаимодействия между ними и соответствующему увеличению чувствительности, Кроме того, в известных устройствах коэффициент в соотношении (1) определяется как

2(В1,В) Р„

Кс (5) где 11 — диаметр цилиндрического стакана;

b — активная длина стакана;

8 — величина магнитной индукции;

1 „ - число магнитов в блоке постоянных магнитов;

R - сопротивление короткозамкнутого витка вихревых токов.

В предлагаемом устройстве коэффициент преобразования согласно соотношению (4) определяется как

1205018

В системе, работающей в режиме автоколебаний, отсутствует стати,ческая погрешность и значительно снижается влияние вредных моментов трения в опорах поворотной системы, что повышает точность измерения.

Кроме того, наличие импульсного выходного сигнала повышает помехозащищенность системы и .позволяет легко стыковать его с вычислительными устройствами различного уровня.

Поскольку неравномерность частоты вращения вала определяется как 0ср Ð

N-+cP

Где сд и у — текущее и среднее знаsP cP чения частоты вращения, то для определения величины " необха20 димо иметь информацию о средней скорос1

|ти вращения вала.

В устройстве для этой цели введены делитель, формирователь импульсов, второй счетчик и схема запоминания, которые осуществляют осреднение мгновенной частоты вращения.

Причем так как выходной сигнал в устройстве имеет форму широтно30 ,модулированных прямоугольных импульсов, то обработка информации осуществляется в цифровом виде, что позволяет в широком диапазоне варьировать время осреднения и выбирать его достаточно большим, т.е.з5 расширить диапазон измерения в сторону низких частот.

Устройство работает следующим образом.

Блок постоянных магнитов 1 уста40 навливается на исследуемый ван и помещается соосно в цилиндрический стакан 2. В исходном положении заслонка

8 перекрывает поток излучения одного из излучателей 6. При этом второй излучатель открыт, в результате чего на выходе фотоприемника 7 появляется выходной сигнал, который падается на вход компаратора 11 и переключает его. Выходное напряжение компаратора 11 управляет ключевым устрой- ством 12, которое подключает стабилизированный источник 13 тока к обо мотке 10 обратной связи. 11агнитное токополе тока, протекающего в обмотке 10 обратной связи, взаимодействуя с полем неподвижного постоянного магнита 9, поворачивает рамку 3 и, следовательно, заслонку 8 так, что она перекрывает поток изучения одного излучателя 6 и открывает поток излучения другого излучателя 6. На выходе соответствующего фотоприемника 7 появляется сигнал, который переключает компаратор 11 в другое устойчивое состояние. При этом ключевое устройство 12 подключает стабилизированный источник 13 тока к обмотке 10 обратной связи так, что по ней течет ток противоположного направления. В результате этого рамка 3 также изменяет направление вращения на противоположное.

Далее процесс переключения повторяется, и, следовательно, поворотная система с закрепленным на оси 4 цилиндрическим стаканам 2 совершает, автоколебания, Применение ключевого устройства 12 и стабилизированного источника 13 тока позвал ет формировать в обмотке 10 обратной связи прямоугольные импульсы тока, при наличии которых обеспечивается постоянство мощности, выделяемой в.обмотке 10 обратной связи, Тем самым обеспечивается режим автоколебаний системы с постоянной амплитудой и частотой. При этом на выходе ключевого устройства 12 имеет место последовательность импульсов. Поскольку в исходном состоянии блок 1 постоянных магнитов неподвижен, то М „= О и согласпо формуле (4) длительности импульсов ь и равны фиг. 2б). Поворотная сис2 тема имеет автоколебания со скважностью равной 2, При равномерном вращении вала на поворотную систему действует постоянный крутящий момент, который согласно формуле (4) вызывает изменение скважности импульсов (фиг.2б) причем величина И, пропорциональ«, P ная разности ь, — . В случае неравномерного вращения вала глубина модуляции меняется пропорционально мгновенной частоте вращения;

Импульсы с выхода ключевого устройства 12 поступают на первые входы первой 14 и второй 15 схем И на вторые входы которых поступают высокочастотные импульсы заполнения с генератора 16 стабильных импульсов. На выходах первой 14 и второй 15 схем И образуются пачки высокочастотных импульсов с коли1205018

55 чеством импульсов в каждой пачке, пропорциональным длительности импульсов с выходов ключевого устройства 12 (фиг.2в). Далее пачки высокочастотных импульсов поступают на первый счетчик 17, который производит вычитание числа импульсов одной пачки из другой; т.е. осуществляет определение величины с, На выходе первого счетчика 17 с при,ходом каждой пары,„ и ь импульсов формируется цифровой код, несущий информацию о мгновенной частоте вращения вала. С выходов первой

14 и второй 15 схем И пачки высоко частотных импульсов поступают на второй счетчик 18, который осуществляет суммирование разностей(Г - 1

Обнуление счетчика 18 осуществляется импульсами, поступающими с формирователя 20 импульсов, который вырабатывает импульс обнуления при окончании действия строба-. Строб вырабатывается делителем 19, при этом длительность строба равна Т 10 ., l — ь, + с, И = 1,2,3..., поскольку делитель имеет коэффициент деления 10. После прихода 10-ro импульса на делитель 19, он производит формирование заднего фронта строба, которым запускается формирователь

20 импульсов. Таким образом, формирование кода на выходе второго счетчика 18 происходит через 10 импульи сов, т.е. второй счетчик 18 производит накопление 10 разностей(С, — 1 пачек высокочастотных импульсов. A

-поскольку частота вращения вала нестабильна, то каждая. разность (С„ - ) имеет различное число высокочастотных импульсов (фиг.2г .

С выхода второго счетчика 18 просуммированные 10 пачек импульсов о в цифровом коде поступают на схему

21 запоминания. При этом второй счетчик 18 подсоединен к схеме запоминания 21 таким образом, что h младших .десятичных разрядов не подключены. В результате чего при записи кода в схему 21 запоминания код делится на число 10 . Запись и кода в схему 21 запоминания производится по переднему фронту импульса, поступающего с формирователя 20 импульсов.

Таким образом, за время действия строуба делителя происходит накопление импульсов 10" разностей пачек и деление этого числа импульсов на число !О " пачек, т.е. осреднение разности пачек с, и

Количество импульсов в средней разности пачек к,+к,, к„ и

Cq ion где И Б 11, К вЂ” число импульсов пачек.

На выходе схемы 21 запоминания появляется записанное в коде число импульсов, соответствующее средней разности пачек 3, —, т.е. пропорциональное средней частоте вращения.

На первый вход схемы 22 вычитания кодов поступает код, несущий информацию о мгновенной частоте вращения, а на второй вход — код, несущий информацию о средней частоте вращения. Схема 22 вычитания кодов производит вычитание поступающих кодов, в результате чего на ее выходе получается цифровой код, несущий информацию об отключении мгновенной частоты вращения от ее среднего значения. Приведенная выше обработка сигналов не может быть выполнена блоком вычисления из-за его ограниченного быстродействия.

Цифровой код поступает на первый вход блока 23 вычисления, на второй вход которого поступает код, несущий информацию о средней частоте вращения вала. Блок 23 вычисления производит вычисления сигнала нестабильности частоты вращения вала и определения его гармонических составляющих.

Результаты вычисления регистрируются на многоканальном регистрирующем приборе 24. На нем же фиксируется значение средней частоты вращения, поступающее с блока 23 вычисления.

Определенное выполнение поворотной системы обусловливает получение информации о мгновенной частоте вра щения в виде широтномодулированного сигнала, цифровой обработки сигнала и введение новых блоков. Введение схем И и первого счетчика вызвано необходимостью обработки информации широтно-модулированного сигнала.

Для создания автоколебательного режима поворотной системы с постоянной амплитудой и частотой введены компаратор, ключевое устройство и стабилизированный источник тока.

Введение второго счетчика, делителя

19, формирователя импульсов и схемы запоминания позволяет сформировать код несущий информацию о средней частоте вращения.

1205018

1205018

ВНИИПИ Заказ 8521/45 Тираж 896 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4