Измеритель скорости вращения вала (варианты)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в тахометрии, например, для измерения угловой скорости вращения гребного винта надводного или подводного плавсредства. Существо изобретения заключается в том, что на контролируемом валу устанавливают ротор в виде упругих державок, равномерно расположенных вдоль образующих цилиндрической поверхности, соосной валу. На концах державок закрепляют постоянные магниты. Рядом с ротором устанавливают статор в виде консольно закрепленной балки, на свободном конце которой закреплен электромагнит. В основании статора установлены две волоконные катушки, оптически связанные в интерферометр с источником когерентного света и фотоприемником. Балка статора с натягом установлена в сердцевину предметной волоконной катушки интерферометра в основании статора. При вращении ротора под действием центробежной силы упругие державки ротора будут отклоняться от оси вращения вала к периферии. Выходным сигналом измерителя является разность фаз интерферирующих лучей, преобразуемая интерферометром в амплитуду в широком динамическом диапазоне. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в тахометрии, например, для измерения угловой скорости вращения гребного винта плавсредства.

Известны измерители скорости вращения вала, содержащие ротор, закрепленный на контролируемом валу, статор, выполненный в виде оптических волокон, оптически согласованных с источником света и фотоприемником, усилитель фототока, подключенный к выходу фотоприемника [Патент Великобритании №2155619, кл. G1A (G01P3/486), 1985. Патент США №4580130, кл. 340/347 (G01P13/00), 1986. Патент ФРГ №3422365, кл. G01P3/486, 1984]. Последний из аналогов принят за прототип.

В аналогах ротор выполнен в виде дисков с отражающим и поглощающим элементами, оптически согласованных через передающие и приемные оптические волокна с источником света и фотоприемником, являющихся статором.

В прототипе ротор выполнен в виде диска с прорезями. Перед диском установлено оптическое волокно, являющееся световодом, а за диском - светоотражатель. Перед световодом установлено полупрозрачное зеркало. Источник света оптически согласован через полупрозрачное зеркало, световод и прорези диска со светоотражателем и фотоприемником, подключенным через усилитель фототока к регистратору. Неподвижные оптические элементы измерителя относятся к статору прибора.

Вращение диска приводит к модуляции светового потока от источника света и появлению на выходе фотоприемника импульсов, частота следования которых несет информацию о скорости вращения вала.

Недостатком известных измерителей, в том числе и прототипа, является частотно-импульсный характер выходного сигнала прибора.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является получение на выходе измерителя скорости вращения вала фазового выходного сигнала, преобразуемого интерферометром в амплитудный сигнал.

Данный технический результат достигают за счет того, что в первом варианте исполнения известный измеритель скорости вращения вала, содержащий ротор, закрепленный на контролируемом валу, статор, выполненный в виде оптических волокон, оптически согласованных с источником света и фотоприемником, усилитель фототока, подключенный к выходу фотоприемника, и регистратор, дополнительно содержит интегратор, компаратор, блок опорных напряжений и управляемый генератор, причем ротор выполнен в виде диэлектрических державок из упругодеформированного материала, равномерно расположенных по окружности вдоль образующих цилиндрической поверхности, соосной валу, на свободных концах которых расположены постоянные магниты, а статор - в виде консольно закрепленной в основании диэлектрической балки, на свободном конце которой закреплен электромагнит с возможностью периодического взаимодействия с постоянными магнитами ротора, при этом оптические волокна свернуты в виде предметной и опорной волоконных катушек, оптически связанных с источником света, выполненным когерентным, и фотоприемником в интерферометр, причем предметная волоконная катушка установлена в основании статора, а консольно закрепленный конец балки установлен в сердцевине предметной волоконной катушки с возможностью механического взаимодействия с ней, и в одной из волоконных катушек интерферометра установлено фазосдвигающее устройство, при этом выход усилителя фототока через интегратор подключен к первому входу компаратора и регистратору, второй вход соединен с выходом блока опорных напряжений, а выход - с управляемым входом генератора, подключенным выходом к фазосдвигающему устройству.

Статор измерителя может содержать вторую, закрепленную в основании диэлектрическую балку, аналогичную первой, на свободном конце которой закреплен второй электромагнит с возможностью периодического взаимодействия с постоянными магнитами ротора, при этом опорная волоконная катушка интерферометра установлена в основании статора, консольно закрепленный конец второй диэлектрической балки установлен в сердцевине опорной волоконной катушки интерферометра, количество диэлектрических державок ротора задано равным четному числу, причем один из электромагнитов статора расположен между постоянным магнитом ротора и осью вращения вала, а другой - по одну сторону от магнита ротора и осью вращения вала.

Во втором варианте исполнения известный измеритель скорости вращения вала, содержащий ротор, закрепленный на контролируемом валу, статор, выполненный в виде оптических волокон, оптически согласованных с источником света и фотоприемником, усилитель фототока, подключенный к выходу фотоприемника, и регистратор, дополнительно содержит интегратор, компаратор, блок опорных напряжений и управляемый источник тока, причем ротор выполнен в виде диэлектрических державок из упругодеформированного материала, расположенных вдоль образующих цилиндрической поверхности, соосной валу, на свободных концах которых расположены постоянные магниты, а статор - в виде консольно закрепленной в основании диэлектрической балки, на свободном конце которой закреплен электромагнит с возможностью периодического взаимодействия с постоянными магнитами ротора, при этом оптические волокна свернуты в виде предметной и опорной волоконных катушек, оптически связанных с источником света, выполненным когерентным, и фотоприемником в интерферометр, причем предметная волоконная катушка установлена в основании статора, а консольно закрепленный конец балки установлен в сердцевине предметной волоконной катушки с возможностью механического взаимодействия с ней, и в одной из волоконных катушек интерферометра установлено фазосдвигающее устройство, при этом выход усилителя фототока через интегратор подключен к первому входу компаратора и регистратору, второй вход компаратора соединен с выходом блока опорных напряжений, а выход - с управляемым входом источника тока, подключенного к электромагниту.

Статор во втором варианте исполнения измерителя также может содержать вторую, закрепленную в основании, диэлектрическую балку, аналогичную первой, на свободном конце которой закреплен второй электромагнит с возможностью периодического взаимодействия с постоянными магнитами ротора, при этом опорная волоконная катушка интерферометра установлена в основании статора, консольно закрепленный конец второй диэлектрической балки установлен в сердцевине опорной волоконной катушки интерферометра, количество диэлектрических державок ротора задано равным четному числу, причем один из электромагнитов статора расположен между постоянным магнитом ротора и осью вращения вала, а другой - по одну сторону от магнита ротора и осью вращения вала, при этом выход источника тока дополнительно подключен ко второму электромагниту.

В обоих вариантах исполнения измерителя диэлектрические балки статора выполняются параллельными оси вращения вала.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена конструктивная схема выполнения измерителя по независимым пунктам формулы изобретения; на фиг.2 - конструктивная схема выполнения измерителя с учетом зависимых пунктов формулы изобретения; на фиг.3 представлена оптико-электронная схема измерителя для первого варианта его выполнения; на фиг.4 - электронная схема измерителя для второго варианта выполнения.

Измеритель скорости вращения вала содержит в обоих вариантах исполнения ротор, закрепленный на контролируемом валу 1 (фиг.1, 2), выполненный в виде диэлектрических державок 2 из упругодеформируемого материала, например, в виде плоской пружины из пластмассы [Приборостроение и средства автоматики под ред. А.Н.Гаврилова. Том 2. Конструкция и расчет приборов. Книга 1. Прикладная метрология, методика расчета, детали и элементы приборов. М.: Маш., 1964, с.173-181].

Державки 2 закреплены равномерно по окружности вдоль направляющих цилиндрической поверхности, основание 3 которой крепится к контролируемому валу 1.

На освобожденных концах державок 2 закреплены постоянные магниты 4.

В дополнительных пунктах формулы изобретения количество державок 2 и магнитов 3 на роторе задается равным четному числу.

Измеритель также содержит статор, выполненный в виде консольно закрепленной в основании 5 диэлектрической балки 6, на свободном конце которой закреплен электромагнит 7.

Согласно дополнительным пунктам формулы изобретения для обоих вариантов измерителя статор содержит дополнительную диэлектрическую балку 8 (фиг.2), консольно закрепленную в основании 5. На свободном конце балки 8 закреплен электромагнит 9.

Державки 2 ротора параллельны консольно закрепленным балкам 6, 8 статора.

Расстояние между магнитами 4 ротора и электромагнитами 7, 9 статора задаются такими, чтобы обеспечить их магнитное взаимодействие в моменты, когда магниты 4 ротора устанавливаются напротив электромагнитов 7, 9 статора при вращении вала 1.

Имеются также волоконные катушки 10 и 11, установленные в основании 5 статора.

Согласно основным пунктам формулы изобретения в обоих вариантах измерителя волоконная катушка 10 выполнена предметной, а волоконная катушка 11 - опорной. Обе волоконные катушки 10, 11 оптически связаны в интерферометр (фиг.3) с источником 12 когерентного света и фотоприемником 13.

В одной из волоконных катушек интерферометра (на фиг.3, катушке 11) установлено фазосдвигающее устройство 14.

Согласно основным пунктам формулы изобретения в обоих вариантах измерителя консольно закрепленный конец балки 6 статора установлен вплотную в сердцевину предметной волоконной катушки 10. При этом опорная волоконная катушка 11 установлена рядом с предметной волоконной катушкой 10 в том же основании 5 статора (фиг.1).

Согласно дополнительным пунктам формулы изобретения балка 8 установлена вплотную в сердцевину опорной волоконной катушки 11 (фиг.2). В этом случае обе волоконные катушки интерферометра выполняют эквивалентные функции. Поэтому название волоконной катушки 11 опорной является условным.

Первый и второй варианты исполнения измерителя различаются только в электронной части их схемы.

В первом и втором вариантах (фиг.3, 4) выход фотоприемника 13 через усилитель 15 фототока и интегратор 16 подключен к первому входу компаратора 17 и регистратору 18, выполненному в виде измерителя тока.

Выход блока 19 опорных напряжений соединен со вторым входом компаратора 17.

В первом варианте измерителя (фиг.3) выход компаратора 17 подсоединен к управляемому входу генератора напряжения 20, выход которого подключен к фазосдвигающему устройству 14.

Во втором варианте измерителя (фиг.4) выход компаратора 17 подсоединен к управляемому входу источника 21 тока, соединенного выходом с электромагнитом 7 статора согласно основному пункту формулы изобретения, и с электромагнитами 7 и 9 согласно дополнительному пункту формулы изобретения.

Нетрудно заметить, что дополнительные пункты формулы изобретения позволяют осуществить в обоих вариантах измерителя удвоение выходного сигнала интерферометра за счет использования дифференциального способа измерений.

Для этого консольно закрепленную балку 6 статора располагают между державкой 2 ротора и осью вращения вала 1 (фиг.2), а консольно закрепленную балку 8 - по одну сторону от державки 2 ротора и оси вращения вала 1.

Измеритель работает следующим образом.

В обоих вариантах исполнения измерителя перед началом работы с помощью фазосдвигающего устройства 14 начальную разность фаз интерферирующих лучей в интерферометре устанавливают равной 90°. А сам измеритель проходит предварительную градуировку.

При вращении вала 1 державки 2 ротора, выполненные из упругодеформируемого материала, под действием центробежной силы будут отклоняться от оси вращения к периферии. При этом постоянные магниты 4 будут приближаться к электромагниту 7 (фиг.1) и удаляться от электромагнита 9 (фиг.2). Через электромагниты 7, 9 и балку 6, 8 на катушки 10, 11 будет воздействовать упругая сила. При этом на малых оборотах вращения вала 1 выходной сигнал с фотоприемника 13 (фиг.3, 4) будет носить частотно-импульсный характер. Причем амплитуда импульсов будет увеличиваться с увеличением скорости вращения вала 1 из-за возрастания магнитной силы взаимодействия магнитов 4 и электромагнита 7 при уменьшении расстояния между ним. Постоянная составляющая на выходе интегратора 16 также будет возрастать и сравниваться с наперед заданным блоком 19 опорным напряжением в компараторе 17. Разностный сигнал интегратора 16 и блока 19 опорных напряжений будет подаваться на управляемый вход генератора 20, соединенного с фазосдвигающим устройством 14 интерферометра (первый вариант измерителя).

Рабочая точка интерферометра при этом возвратится в первоначальное положение. А информацию о скорости вращения дает регистратор 18, подключенный к выходу интегратора 16 или компаратора 17.

На высоких оборотах вала 1 выходной сигнал с фотоприемника 13 будет сглажен из-за инерционности механической колебательной системы. Амплитуда сигнала будет увеличиваться с ростом числа оборотов вала. Рабочая точка интерферометра будет сдвигаться от своего первоначального положения. А сигнал с генератора 20, как и при малых оборотах вала 1, позволяет с помощью фазосдвигающего устройства 14 возвращать рабочую точку интерферометра в первоначальное положение, когда разность фаз его интерферирующих лучей равна 90°.

Аналогичного эффекта измерения скорости вращения вала 1 можно добиться, расположив электромагнит статора между магнитами 8 ротора и осью вращения вала. В этом случае расстояние между магнитами и электромагнитом будет увеличиваться при возрастании скорости вращения вала 1, а выходной сигнал фотоприемника 13 - уменьшается.

При реализации измерителя с дополнительной консольной балкой 8 и электромагнитом 9 (фиг.2) получается удвоение амплитуды сигнала (один магнит 4 приближается к электромагниту 7, а другой - удаляется от электромагнита 9). В одном случае расположение магнитов 4 по окружности должно быть равномерным, а их количество должно быть равно четному числу.

Во втором варианте исполнения измерителя (фиг.4) разностный сигнал интегратора 17 и блока 19 опорных напряжений подается на электромагнит 7 (а в дополнительном пункте формулы изобретения и на электромагнит 9 через источник 21 тока).

Сила взаимодействия электромагнитов 7, 9 статора с постоянными магнитами 4 ротора изменяется пропорционально скорости вращения вала 1. А рабочая точка интерферометра при этом остается в первоначальном ранее установленном положении. Это позволяет увеличить рабочий динамический диапазон измерителя.

Таким образом, выходным сигналом измерителя является разность фаз интерферирующих лучей, преобразуемая интерферометром в амплитуду. Причем преобразование проводится в широком динамическом диапазоне. Этим достигается поставленный технический результат.

1. Измеритель скорости вращения вала, содержащий ротор, закрепленный на контролируемом валу, статор, выполненный в виде оптических волокон, оптически согласованных с источником света и фотоприемником, усилитель фототока, подключенный к выходу фотоприемника, и регистратор, отличающийся тем, что дополнительно содержит интегратор, компаратор, блок опорных напряжений и управляемый генератор, причем ротор выполнен в виде диэлектрических державок из упругодеформированного материала, равномерно расположенных по окружности вдоль образующих цилиндрической поверхности, соосной валу, на свободных концах которых расположены постоянные магниты, а статор - в виде консольно закрепленной в основании диэлектрической балки, на свободном конце которой закреплен электромагнит с возможностью периодического взаимодействия с постоянными магнитами ротора, при этом оптические волокна свернуты в виде предметной и опорной волоконных катушек, оптически связанных с источником света, выполненным когерентным, и фотоприемником в интерферометр, причем предметная волоконная катушка установлена в основании статора, а консольно закрепленный конец балки установлен в сердцевине предметной волоконной катушки с возможностью механического взаимодействия с ней, и в одной из волоконных катушек интерферометра установлено фазосдвигающее устройство, при этом выход усилителя фототока через интегратор подключен к первому входу компаратора и регистратору, второй вход компаратора соединен с выходом блока опорных напряжений, а выход - с управляемым входом генератора, подключенным выходом к фазосдвигающему устройству.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что статор содержит вторую закрепленную в основании диэлектрическую балку, аналогичную первой, на свободном конце которой закреплен второй электромагнит с возможностью периодического взаимодействия с постоянными магнитами ротора, при этом опорная волоконная катушка интерферометра установлена в основании статора, консольно закрепленный конец второй диэлектрической балки установлен в сердцевине опорной волоконной катушки интерферометра, количество диэлектрических державок ротора задано равным четному числу, причем один из электромагнитов статора расположен между постоянным магнитом ротора и осью вращения вала, а другой - по одну сторону от магнита ротора и осью вращения вала.

3. Измеритель по п.2, отличающийся тем, что диэлектрические балки статора выполнены параллельными оси вращения вала.

4. Измеритель скорости вращения вала, содержащий ротор, закрепленный на контролируемом валу, статор, выполненный в виде оптически согласованных с источником света и фотоприемником, усилитель фототока, подключенный к выходу фотоприемника, и регистратор, отличающийся тем, что дополнительно содержит интегратор, компаратор, блок опорных напряжений и управляемый источник тока, причем ротор выполнен в виде диэлектрических державок из упругодеформированного материала, расположенных вдоль образующих цилиндрической поверхности, соосной валу, на свободных концах которых расположены постоянные магниты, а статор - в виде консольно закрепленной в основании диэлектрической балки, на свободном конце которой закреплен электромагнит с возможностью периодического взаимодействия с постоянными магнитами ротора, при этом оптические волокна в виде предметной и опорной волоконных катушек, оптически связанных с источником света, выполненным когерентным, и фотоприемником в интерферометр, причем предметная волоконная катушка установлена в основании статора, а консольно закрепленный конец балки установлен в сердцевине предметной волоконной катушки с возможностью механического взаимодействия с ней, и в одной из волоконных катушек интерферометра установлено фазосдвигающее устройство, при этом выход усилителя фототока через интегратор подключен к первому входу компаратора и регистратору, второй вход компаратора соединен с выходом блока опорных напряжений, а выход - с управляемым входом источника тока, подключенного к электромагниту.

5. Измеритель по п.4, отличающийся тем, что статор содержит вторую закрепленную в основании диэлектрическую балку, аналогичную первой, на свободном конце которой закреплен второй электромагнит с возможностью периодического взаимодействия с постоянными магнитами ротора, при этом опорная волоконная катушка интерферометра установлена в основании статора, консольно закрепленный конец второй диэлектрической балки установлен в сердцевине опорной волоконной катушки интерферометра, количество диэлектрических державок ротора задано равным четному числу, причем один из электромагнитов статора расположен между постоянным магнитом ротора и осью вращения вала, а другой - по одну сторону от магнита ротора и осью вращения вала, при этом выход источника тока дополнительно подключен ко второму электромагниту.

6. Измеритель по п.5, отличающийся тем, что диэлектрические балки статора выполнены параллельными оси вращения вала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительным приборам, выполняющим измерения с помощью оптических и электрических средств, и может быть использовано для контроля угловой скорости вращения, угловых перемещений и поворота механизмов. Датчик содержит автономный источник электропитания, преобразователь напряжения и датчик оборотов. Датчик оснащен программируемой логической интегральной схемой (ПЛИС) с запрограммированными алгоритмом диагностики узлов датчика и алгоритмом управления и модулятором питания, связанным с датчиком оборотов. Способ работы датчика характеризуется тем, что в ПЛИС генерируют первично модулированный сигнал, который подают в модулятор питания. Модулированное сигналом из ПЛИС напряжение подают в датчик оборотов и первично модулированное напряжение преобразуют в первично модулированный световой поток, который вторично модулируют, пропуская его через щели барабана, приводимого во вращение объектом измерения. Прошедший через щели вторично модулированный световой поток преобразуют фотоприемником во вторично модулированный электрический сигнал, который подают в ПЛИС, где по заданному алгоритму производят расчет угловой скорости и угловых перемещений. Изобретение позволяет снизить энергопотребление и повысить разрешающую способность датчика. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх