Вибрационный пороговый датчик
Использование: изобретение относится к Еиброизмерениям и предназначено для расширения функциональных возможностей датчика за счет дискретной фиксации .монотонно возрастающих виброускорений. Сущность: вибрационный пороговый датчик , содержит цилиндрический корпус из немагнитного материала, размещенные в нем инерционный элемент 2 в виде диска из магнитного электропроводящего материала , фиксатор его начального положения в виде электромагнита 3 и контактных пар 4. Датчик снабжен набором жестко связанных между собой соосных рабочих колец возрастающего диаметра, выполненн ыхиз немаг ел С
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 Н 17/00
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4902322/28 (22) 14,01.91 (46) 23.03.93. Бюл. ¹ 11 (71) Ленинградский институт авиационного приборостроения (72) Е.Н.Головенкин, Н,А.Ковалев, Г.Л.Плехоткина, В.В.Проценко, Ю.Н,Соколов и
К.Н.Явленский (56) Авторское свидетельство СССР
¹ 1245892, кл. G 01 Н 1/04, опублик.
23.07.86; Б,И. ¹ 27
Авторское свидетельство СССР .. ¹ 659911, кл, G 01 Н 1/04, опублик. 30;04.79.
БИ №16;
Авторское свидетельство СССР
N. 823891, кл, G 01 Н 1/04, опублик. 23.04.81, БИ N 15..„.. Ж,„, 1803745 А1
2 (54) ВИБРАЦИОННЫЙ ПОРОГОВЫЙ ДАТЧИК (57) Использование; изобретение относится к виброизмерениям и предназначено для расширения функциональных возможностей датчика за счет дискретной фиксации монотонно возрастающих виброускорений.
Сущность: вибрационный пороговый датчик содержит цилиндрический корпус из немагнитного материала, размещенные в нем инерционный элемент 2 в виде диска из магнитного электропроводящего материала, фиксатор его начального положения в виде электромагнита 3 и контактных пар 4.
Датчик снабжен набором жестко связанных между собой соосных рабочих колец возрастающего диаметра, выполненных из немаг1803745
ma sin ro tt-mfq > О, t<= — arcsin—
1 fq и а (2) нитного и неэлектропроводящего материала, с дискретно увеличивающимися коэффициентами трения материалов рабочего кольца и инерционного элемента 2 от центрального кольца к наружному. Для возвращения датчика в исходную позицию служит электромагнит 3. При превышении заданного порогового значения виброускорения сила инерции, прикладываемая к инерционИзобретение относится к области виброизмерений и предназначено для использования в качестве фиксатора достижения агрегатами сложных механических систем предельных технических состояний.
Целью изобретения является расширение за счет дискретной фиксации монотонно возрастающих ускорений и повышения его надежности.
Цель изобретения достигается тем, что датчик снабжен и рабочими кольцами, выполненными из немагнитного и неэлектропроводного материала, коаксиально размещенными в цилиндрическом корпусе относительно его оси и связанными друг с другом кольцевыми прокладками, выполненными из электропроводного материала, инерционный элемент выполнен в виде размещенного на центральном рабочем кольце с .возможностью последовательного взаи. модействия с и-1 рабочими кольцами диска диаметром D, удовлетворяющим соотношению dz Надежность работы датчика повышается за счет того, что при действии виброускорений, превышающих заданное предельное значение, инерционный элемент проходит ному элементу 2, превышает силу трения и вызывает его движение от центра рабочего кольца к периферии. При достижении периферии рабочего кольца инерционный элемент 2 замыкает контактную пару 4, и выдается сигнал в систему сигнализации или управления о достижении предельного технического состояния контролируемого объекта. 2 ил. при своем движении определенный участок пути по рабочему кольцу до замыкания контактов, чем снижается влияние помех и кратковременных воздействий на фикса5 цию технического состояния исследуемого (контролируемого) объекта с заданным уровнем вибрации, Поясним связь между вибрационным воздействием и ответной реакцией инерци10 онного элемента. Как следует из фиг.1, дви- . жение инерционного элемента начинается при преодолении силами инерции силы трения. Условие начала движения записывается в виде 15 где m — масса инерционного элемента; а — ускорение вибрации; 20 а — круговая частота вибрационных колебаний; f — коэффициент трения соприкасающихся поверхностей; q — ускорение силы тяжести; 25 11 — время начала движения, Время начала движения t<, а также, соответственно, и окончания воздействия внешних сил до набора конечной скорости на полупериоде движения определяется по 30 следующей формуле 35 Как следует из(2). только при а fq фунта кция агс sin имеет физический смысл. При а a Определим предельное ускорение акр, при котором осуществляется граничный цикл движения с нулевыми скоростями в конце половины периода воздействий виб45 роускорений. Скорость движения Чопределяется, как следует из фиг.1, интегралом sa период вре1803745 Используя разложение функции cos в (T/2+t1+ Л11) в виде суммы углов, заменяя созвЛт1 на 1-(в Лt) /2, à sin в t1 =в Лt1 с учетом (1) после несложных 5 преобразований получаем для нахождения времени Лт1 уравнение второго порядка вида мени от t1 до Т/2+11, где Т вЂ” период колебаний, Общее выражение для скорости V имеет вид: V= Г(asln в t-q)dt= — созв Мср+С. (3) а Задаваясь начальным условием Ч(1)=0, получим общее выражение для скорости V в следующем виде: 10 +2 я tg в11=0, (10) из которого получаем выражение для t1 в следующей форме «2 go)T> В В 4 9 В(1 +4 -г7йцйй1 (11) где t — текущее время, при условии t>t1. При подстановке в (4) конечного времени t, равного 1=Т/2+t1, и приравнивая скорость ну,лю, получим условие определения предельного значения ускорения апр Для получения истинного значения At1 20 подкоренное выражение берется со знаком "+". Для отрицательной попуволны условие для нахождения времени Лtz в соответствии с (4) и (9) можно записать в виде 2 — cos в t1-fq — =О. ап Т в . 2 (5) Раскрывая значение cos Nt1 через sin Nt .и используя (1), а также значения выражения периода Т через Т= 2л/в, получим следующее выражение для акр. Т + 1-Ь tz)+fq(— - Й1-Л тг)=0, (12) Задавая дискретный ряд коэффициентов трения соприкасающихся поверхностей инерционного элемента и рабочих колец в виде 11<Гг<1э«... f>, осуществляем, как следует из (8), фиксацию монотонно возрастающих виброускорений с заданной дискретностью их измерения. Повышение надежности фиксации устойчивых технических состояний объектов. определяется длительностью прохода инерционным телом расстояния, определяемого разностью радиусов колец, а именно Л L=RirRg, где Вн — наружный радиус кольца, Rg — внутренний радиус кольца; при "действующем ускорении вибрации аа)акр как следует из фиг.1, нужно определить время Л t1, необходимое для погашения набранной за первый полупериод скорости, и время Лтг, характеризующее остано инерционного элемента при воздействи отрицательной полуволны виброускоре ния. Условие для нахождения времени Лт в соответствии с (4) можно записать в ви . де: Раскрывая значения функций cos c . учетом (9) и используя представление соз вЛ t2 в виде созв Л юг=1-(в Лтг) /2, а 35 sin в Л tg = в Л tz, с учетом (1) после несложных преобразований получаем уравнение второго порядка для нахождения времени Л t2 следующего вида: 40 (в Лтг) -4(NA t2)tg â t1из которого получаем выражение для Лтг в 45 следующей форме в и 50 Для получения истинного значения 2 подкоренное выражение берется со зна1 ком "-". Для получения выражения перемещения инерционного элемента ЛЯ за период колебаний Т определим интеграл в общем виде от выражения (4) (9) V= — (cos в t 1-cos в t)-й (м1). (4) а в. anpi=fiq Л +(/2) =1,8621 fiq,, (8) V= — (cos в t1-cos(T/2+t1+ + A t1)-fq(T/2+ At1)=0 . (в Л11) +4tg и 1(в Л11)-4+ V= — (соз в(— +т1+ Лt1)-созв (Т+ а Т. в 2 —.4(в ht1)tg в т1=0, . (13) ЛБ= j Vdt= cos Nt1 ta 1803745 а . t — sin вМц — +fqtt t+D Я 2 Для частоты а при заданном значении Л необходимо иметь число m периодов. колебаний при известной величине Ь$, чтобы инерционное тело замкнуло контак5 тную пару, Число m соответственно равно (1 4) (19) 10 (15) . Ю1 e tt(2 + Ж1) + — (э(по 1 + 20 ° . (— + At1) + sine(t1 + Atj)) 2 . (16) 25 При воздействии ускорения обратного знака за период времени от Т/2+t1+ Лц до T+t1- Л t2 произойдет перемещение инерционного элемента в направленйи, противопо- 3 ложном первоначальному действию инерционных сил на величину A $г, равную Мг= -@Сов e(11+ Й1)(Т/2-At1" At2)Э 40 Общее перемещение Ь $ за перйод колебаний Т соответственно равно сумме . М1и Юг: 45 55 — sine(t> + Жг))— (18) При начальном условии Ь$=0 при 1=т1 выражение для М запишется в виде AS = — cosset>(t — t>) + fslnet>— д а е. е сг я — slnet) — fq(t 2 2 3а период времени отс1 до Т/2+ц+ Лс1 произойдет перемещение инерционного элемента в направлении действия инерционных сил на величину A$1, равную — tsln e(t>+ As)+sin (т + Л z))+fq AS = (созай1 — сова(т1 + At>)) — + Т . + (СОзюй1 + созйф1 + At1))Ж1 + + + Cose(t> >+ Ф )Ж + — (iet — Таким образом, при известных частотах колебания обьекта разность наружных и внутренних диаметров рабочих колец можно выбирать из условия существования числа колебаний m, свидетельствующих о достижении устойчивого предельного технического состояния контролируемым объектом или его агрегатом. На фиг.1 приведены временные функции виброускорения и скорости движения инерционного элемента; на фиг.2 — общий вид датчика с поперечным разрезом. Вибрационный пороговый датчик содержит цилиндрический корпус 1 из немагнитного материала, размещенные,в нем инерционный элемент 2, выполненный из немагнитного материала, размещенные в нем инерционный элемент 2, выполненный . из магнитного электропроводящего материала, фиксатор его начального положения в виде электромагнита 3, расположенного по оси 00 под инерционным элементом, и контактные пары 4, Датчик снабжен набором жестко связанных между собой соосных рабочих колец 5 возрастающего диаметра от центра к периферии, выполненных из немагнитного и неэлектропроводного материала, разделенных между собой контактными парами 4 в виде электропроводящих колец. Из пар контактных колец одно кольцо имеет единый контакт 6, остальные — контакты 7, 8, 9 подключены к устройствам сигнализации, предназначенным для фиксации сигнала тревоги или формирования управляющего импульса для остановки контролируемого объекта, Провода 10 и 11 служат для подачи управляющего сигнала в электромагнит 3. Сверху корпус закрыт стеклом 12, снизу— крышкой 13. Датчик работает следующим образом, На контролируемом объекте (на чертеже не показан) закрепляется вибрационный пороговый датчик. Подачей управляющего сигнала по проводам 10 и 11 включается электромагнит 3 и притягивает инерционный элемент к центру центрального рабочего диска 5, т.е. выставляет его в исходное начальное положение. При работе контроли.. руемого объекта, если возмущающие гармонические периодические силы, действующие 1803 Ч5 на инерционный элемент 2 в направлении, параллельном поверхности рабочих колец. не преодолевают сил сопротивления (трения), то он совершает движение вместе с корпусом 1. При достижении первого пре- 5 дельного значения виброускорения акр для центрального диска инерционное тело совершает колебательное движение с амплитудой AS, определяемой по выражению (16), при ht1=0. При превышении действую- 10 щего виброускорения ад предельного значения апр, т,е. ад>апр. возникает устойчивое . движение инерционного элемента от центра к наружному кольцу. За время t, равное t--mT, где m — число колебаний объекта для 15 прохождения инерционным элементом ширины кольца Ж =R -R, а Т вЂ” период возникших колебаний, инерционный элемент достигнет первой пары контактных колец и замкнет их, с проводника 9 поступит сигнал 20 к устройству сигнализации и фиксируется достижение объектом первого предельного технического состояния, Поскольку второе рабочее кольцо имеет больший коэффициент трения трущихся поверхностей инерци- 25 онного элемента и второго рабочего кольца, то инерционный элемент частично переме стится на его поверхность и остановится. При монотонно возрастающем ускорении вибрации через определенное время оно 30 достигнет действующего значения ад >акр предельного ускорения для второго рабочего кольца, и инерционное тело, совершив преодоление пути, равного разности радиусов наружного и внутреннего AL=-R>-R >, 35 замкнет вторую пару колец, с проводника 8 поступит сигнал к устройству сигнализации и зафиксируется достижение обьектом второго предельного состояния, При превыше-. нии действующим виброускорением ад>апр 40 предельного значения ускорения наружного кольца с проводника 7 выдается сигнал о достижении максимального предельного состояния контролируемого обьекта, после чего подается сигнал на проводники 10, 11. и инерционный элемент 2 приводится с помощью электромагнита 3 в исходное положение. Вибрационный пороговый датчик с расширенными функциональными возможностями при дискретной фиксации монотонно возрастающих виброус ко рений может использоваться для фиксации технического состояния агрегатов сложной механической системы, либо определения остаточного ресурса функционирования контролируемого обьекта. Ф.ормула изобретения Вибрационный пороговый датчик, содержащий цилиндрический корпус из немагнитного магериэла, размещенные в нем инерционный элемент, выполненный иэ немагнитного электропроводящего материала. фиксатор его начального положения в виде электромагнита, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей датчика путем дискретной фиксации монотонно возрастающих ускорений и повышения его надежности, он снабжен и рабочими кольцами, выполненными из немагнитного и неэлектропроводного материала, коаксиально размещенными в цилиндрическОм корпусе отноСительно его оси и связанными один с другой кольцевыми прокладками, выполненными из электропроводного материала, инерционный элемент выполнен в виде размещенного на центральном рабочем кольце с воэможностью последовательного взаимодействия с и-1 рабочими кольцами диска диаметром 0, удовлетворяющим соотношению d2 Редактор О. Стенина Заказ 1049 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям ари ГКН г СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Проиаеодстеенно-иадатепьский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул;Гагарина. 101 Составитель Ю. Соколов Техред М.Моргентал Корректор M. Керецман г !
