УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФАЗОВЫЙ ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ULTRASOUND PHASE INTERRUPTER VIBRATOR

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении параметров вибраций шнековых механизмов.
Известно измерительное устройство, содержащее последовательно соединенные задающий генератор ультразвуковой частоты, излучающий преобразователь, взаимодействующий с исследуемым объектом, приемный преобразователь и фазовый детектор, первый вход которого подключен к выходу задающего генератора. Принцип работы этого устройства заключается в том, что между падающим на исследуемый объект и отраженным от него акустическими сигналами существует определенный фазовый сдвиг, который измеряется фазовым детектором. В том случае, когда исследуемый объект неподвижен, разность фаз между падающим (опорным) и отраженными сигналами неизменна. Если объект начинает движение, разность фаз между падающим и отраженными сигналами начинает меняться, следовательно, изменяется величина выходного сигнала фазового детектора. Если фазовый детектор работает в линейном режиме, то величина сигнала на его выходе пропорциональна смещению исследуемого объекта [Редчиков В.В. Ультразвуковой фазовый метод измерения виброперемещений. М., МДНТП им. Дзержинского, 1973, с.194-199].
Недостатком этого устройства является узкий динамический диапазон измерения виброперемещений из-за наличия нелинейных искажений выходного сигнала фазового детектора за счет произвольного выбора рабочей точки на выходной характеристике детектора.
Этот недостаток устраняется в измерительном устройстве, содержащем последовательно соединенные задающий генератор ультразвуковой частоты, излучающий преобразователь, взаимодействующий с исследуемым объектом, приемный преобразователь, фазовый детектор, второй вход которого подключен к выходу приемного преобразователя, а первый к выходу генератора ультразвуковой частоты. Входы фазового детектора можно менять местами, от этого его функционирование не изменится [Гордеев Б.А. Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений, А.С. СССР №823824, кл. G01B 7/00, 1979]. Хотя в этом измерительном устройстве рабочая точка выбрана на линейном участке фазовой характеристики детектора, но при возрастании амплитуды виброперемещений или при медленном дрейфе исследуемого объекта рабочая точка покидает линейный участок. При измерении стационарных вибропроцессов данное устройство работает в линейном режиме. На практике значительно чаще возникает нестационарный режим, при котором измеряемые высокочастотные вибросигналы, взаимодействуя с низкочастотными, создают дрейф рабочей точки фазового детектора, приводящей к нелинейным искажениям выходного сигнала.
Этот недостаток устранен в наиболее близком к предлагаемому ультразвуковом фазовом измерителе виброперемещений, содержащем последовательно соединенные задающий генератор, линию задержки с управляемыми входами, излучающий преобразователь, взаимодействующий с исследуемым объектом, приемный преобразователь, фазовый детектор, второй вход которого подключен к входу излучающего преобразователя, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки информации [Гордеев Б.А. Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений, А.С. СССР №1048330, G01H 1/00; G01B 17/00]. Выход фазового детектора соединен со входом компаратора, выход которого соединен со входом коммутатора и вторым входом блока обработки информации. Выходы коммутатора соединены с управляющими входами управляемой линии задержки.
0
1
2
1
2
2
Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений работает следующим образом. Выходной сигнал задающего генератора через линию задержки поступает на излучающий преобразователь. Первоначальная задержка сигнала должна удовлетворять условию R=(n/2+1/4)λ, где n - число дискретных изменений фазы, равное числу управляющих входов линии задержки, λ - длина ультразвуковой волны в данной среде. В этом случае при смещении исследуемого объекта на величину, не превышающую одну восьмую длины волны, измерительное устройство работает в линейном режиме. Отраженный сигнал с выхода приемного преобразователя поступает на второй вход фазового детектора, на первый вход которого поступает опорный сигнал с линии задержки. Изменяющийся по амплитуде выходной сигнал фазового детектора поступает на компаратор, на который от источника опорного напряжения подаются напряжения уровней U и U, соответствующие верхнему и нижнему порогам, вне которых заметно наличие нелинейных искажений. При увеличении выходного сигнала фазового детектора на величину, соответствующую смещению исследуемого объекта на расстояние, превышающее восьмую часть длины волны зондирующего ультразвукового сигнала, в этом сигнале начинают проявляться нелинейные искажения. В этом случае выходной сигнал фазового детектора в компараторе достигает одного из уровней напряжения U или U. Тогда на выходе компаратора появляется импульс, поступающий одновременно на коммутатор и блок обработки информации. На втором выходе коммутатора появляется управляющий сигнал, изменяющий время задержки. Время задержки соответствует изменению фазы сигнала на втором входе фазового детектора на величину, равную одной восьмой периода, и рабочая точка смещается на одну восьмую длины волны ультразвукового сигнала, что устраняет нелинейные искажения. Аналогичные процессы происходят, если величина выходного сигнала фазового детектора уменьшается до значения U.
Однако при измерении дисбаланса шнековых механизмов возникают дополнительные трудности, так как поверхность шнека представляет винтовую поверхность, где высота спирали может быть одного порядка с диаметром шнека. Тогда выходной сигнал (4) насыщается дополнительными гармониками, так как спираль шнека, попадая в зону действия зондирующего акустического сигнала, вызывает модуляцию отраженного сигнала не только по фазе, но и по частоте. Поэтому выделение информационной составляющей по фазе связано с возрастающими ошибками. Ошибки возрастают при возрастании угловой скорости вращения шнека.
Технический результат от использования изобретения заключается в расширении функциональных возможностей за счет измерения дисбаланса жестких роторов со сложной конфигурацией. Изобретение позволяет проводить вибродиагностику шнековых передач в металлорежущих станках, контролировать вибрацию шнековых буров в геологоразведочных работах, шнековых механизмов в дорожно-строительных машинах и т.д.
Указанный результат достигается тем, что ультразвуковой фазовый вибропреобразователь, содержащий последовательно соединенные задающий генератор и излучающий преобразователь, взаимодействующий с исследуемым объектом, приемный преобразователь и фазовый детектор, второй вход которого подключен к входу излучающего преобразователя, блок обработки информации, фазовращатель, отличается тем, что он снабжен элементом «И», подключенным первым входом к датчику угла поворота вала, а вторым входом к выходу фазового детектора, кодовым диском, с возможностью крепления на валу исследуемого объекта, информационно соединенным с датчиком угла поворота вала, выход которого подключен к первому входу элемента «И» и к первому входу элемента «И-Не», второй вход которого соединен с выходом фазовращателя, а выход соединен с входом частотного детектора, выход которого соединен со вторым входом блока обработки информации.
На чертеже представлена структурная схема ультразвукового фазового вибропреобразователя, содержащего последовательно соединенные задающий генератор 1, излучающий преобразователь 2, вал 3, приемный преобразователь 4, фазовращатель 5, фазовый детектор 6, элемент умножения - «И» 7, блок 8 обработки данных, а второй вход схемы умножения 7 подключен к выходу датчика 9 угла поворота вала 3. Первый вход элемента «И-Не» 10 соединен с выходом датчика 9 угла поворота вала, второй вход соединен с выходом фазовращателя 5, а выход подключен ко входу частотного детектора 11. Датчик 9 угла поворота вала взаимодействует с кодовым диском 12, закрепленным на валу 3.
Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь работает следующим образом.
Прежде всего на валу шнекового механизма закрепляется кодовый диск в том положении, чтобы при вращении вала поле действия ультразвукового зондирующего сигнала не входило в область шнекового выступа. Иначе при вращении вала зондирующий луч, попадая на шнековый выступ, отражается от него, наполняясь неинформативными гармоническими составляющими. Эти составляющие значительно затрудняют обработку сигнала и вносят ошибку, достигающую 100% и более.
Сигнал с выхода задающего генератора 1 поступает на излучающий преобразователь 2, который излучает ультразвуковые волны в направлении исследуемого объекта - вала 3. Отраженный от исследуемого объекта ультразвуковой сигнал принимается приемным преобразователем 4, сигнал с выхода которого поступает на вход фазовращателя 5, изменяющего фазу сигнала на постоянную величину, чтобы соблюдалось условие расположения рабочей точки в центре прямолинейного участка выходной характеристики фазового детектора при неподвижном объекте исследования. При этом начальное расстояние L должно удовлетворять условию: , где: n - целое число, λ - длина волны ультразвука в воздухе. При вращении вала со шнеком, при условии наличия эксцентриситета, изменяется разность фаз между излученным и отраженным от вала ультразвуковыми сигналами. Изменение фазы линейно связано с изменением расстояния отражающей поверхности вала 3 до излучающего 2 и приемного 4 преобразователей. При повышении частоты вращения вала 3 и при наличии эксцентриситета порядка 1/8 длины волны ультразвука в воздухе начинает проявляться частотная модуляция отраженного ультразвукового сигнала. При этом изменение частоты отраженного сигнала характеризует скорость вращения вала 3. Для точного определения эксцентриситета вала, являющегося важнейшей причиной возникновения виброперегрузок, достаточно угловой скорости его вращения порядка нескольких оборотов в минуту. В данном случае фаза является информативным параметром. С выхода фазовращателя 5 отраженный сигнал поступает на первый вход фазового детектора 6, на второй вход которого поступает опорный сигнал с выхода генератора 1.
При этом имеют место два режима работы вибропреобразователя.
Первый - когда поле зондируемой поверхности вала свободно от ребра шнека. Это достигается тем, что кодовый диск 12, укрепленный на валу 3, соответствует такому углу поворота вала, при котором зондирующий ультразвуковой сигнал падает на свободное от шнека поле. В таком случае сигнал с датчика 9 угла поворота вала 3, поступая на первый вход элемента «И» 7 умножения, открывает его для прохождения сигнала с фазового детектора 6 на блок 8 обработки данных. Конструкция кодового диска 12 может быть различной: или наличие прозрачных участков для прохождения оптических сигналов с датчика 9, или наличие отражающих участков поверхности диска для тех же сигналов. Если вал шнека обладает эксцентриситетом, который является основной причиной вибрации, то при повороте вала на некоторый, даже небольшой, в несколько угловых градусов, угол, фаза отраженного ультразвукового сигнала изменится относительно опорного, что зарегистрирует фазовый детектор 6. При дальнейшем вращении вала 3 ребро шнека достигает поля действия зондирующего ультразвукового луча. При этом датчик 9 угла поворота вала выдает запрещающий сигнал логического нуля на первый вход элемента «И» умножения и закрывает его, еще входа ребра шнека в зону действия зондирующего ультразвукового луча. После этого действует второй режим работы ультразвукового фазового вибропреобразователя.
Второй режим работы наступает тогда, когда кодовый диск 12, поворачиваясь на соответствующий угол, изменяет выходной сигнал датчика 9 угла поворота вала на полярный. Например, когда поле взаимодействия зондирующего луча с поверхностью вала свободно от шнека, то выходной сигнал датчика 9 соответствует логической единице, а когда шнек приближается к этому полю, но не заходит в зону действия зондирующего ультразвукового луча, выходной сигнал датчика 9 соответствует логическому нулю. Тогда открывается элемент 10 «И-Не» и отраженный уже и от ребра шнека ультразвуковой сигнал через элемент «И-Не» 10 поступает в частотный детектор 11 и затем в блок 8 обработки данных.
-2
-1
Когда зондирующий луч попадает в область шнека, то полем действия луча является внешняя поверхность ребра шнека. Это явление эквивалентно движению отражающей поверхности навстречу падающему лучу. Поэтому частота отраженного сигнала будет превышать частоту зондирующего луча. Так, например, при частоте вращения вала 10 Гц, высоте ребра шнека 10 м и расстоянии между ребрами шнека по одной образующей 10 м эквивалентная скорость движения отражающей поверхности будет одного порядка со скоростью ультразвука в воздухе.
0
В этом случае за счет двойного эффекта Допплера частота отраженного сигнала: , где ω - частота падающей волны, при этом отраженную волну теперь можно представить в виде:
,
где: l(t)=L+Δ(t).
Если ребро шнека является движущейся границей раздела сред по закону:
0
Δt=l sinΩt, тогда
Последнее выражение можно привести к виду:
+
0
0
0
1
0
f=A[J(m)cosωt-2J(m)sinΩt sinωt+
2
0
3
0
+2J(m)cos2Ωt cosωt-2J(m)sinωt cos3Ωt+…]
Или в более развернутой форме
+
0
0
0
0
0
1
0
f=Acos(ωt+m sinΩt)=A{J (m) cosωt+J(m) [cos(ω+Ω)t-cos
0
2
0
0
3
0
(ω--Ω)t]+J (m) [cos(ω+2Ω)t+cos (ω-2Ω)t]+J(m) [cos (ω+3Ω)t-
0
cos(ω-3Ω)t]+…}
n
d
d
где: J(m)- Бесселева функция первого рода n-го порядка от аргумента m, m=ω/Ω - индекс частотной модуляции, ω -девиация частоты отраженного акустического сигнала.
Таким образом, в спектр отраженного сигнала вклад различных боковых составляющих определяется величиной m.
Если m « 1, то имеют место приближенные равенства
sin (m sinΩt)≈m sinΩt, cos (m sinΩt)≈1.
Это происходит тогда, когда угловая скорость вала незначительна.
Таким образом, при малой девиации частоты отраженного акустического сигнала в его спектре появляются только две дополнительные гармоники.
При значениях индексов m, изменяющихся в интервале от 0,5 до 1, приобретает некоторое значение вторая пара боковых частот, ввиду чего ширина спектра должна быть приравнена 4Ω. Далее, при 1<m<2 приходится учитывать третью и четвертую пары боковых частот и т.д. Все эти процессы подвергаются анализу в блоке 8, который выполняет функции анализатора спектра.
Таким образом, предлагаемый ультразвуковой фазовый вибропреобразователь позволяет проводить вибродиагностику вращающихся валов со сложной внешней поверхностью, образующая которой не является прямой линией, за счет измерения дисбаланса роторов со сложной конфигурацией.
Конструктивно предлагаемое устройство выполняется следующим образом. Задающий генератор - стандартный прибор, выпускаемый серийно, имеющий частотный диапазон от 20 кГц до 1 мГц. Это рабочий диапазон ультразвукового фазового вибропреобразователя. Однако серийно выпускаемые приборы имеют обычно более широкие диапазоны частот, от нескольких герц до десятков мегагерц. Поэтому в зависимости от условий работы ультразвукового фазового вибропреобразователя иногда целесообразно задающий генератор изготовить на одну из частот, соответствующих собственным частотам излучающего и приемного преобразователей. Причем для наиболее эффективной работы излучающий преобразователь настраивается на частоту электрического резонанса, а приемный на частоту механического резонанса. Излучающий и приемный преобразователи изготовлены разработчиками, где чувствительный элемент, преобразующий сигналы одной физической природы в другую, является покупным. Это керамика цирконат-титанат свинца, ЦТС-19. Логические элементы - «И», «И-Не» покупные. Фазовращатель изготовлен разработчиками. Кодовый диск и датчик угла поворота вала изготовлены разработчиками. Блок обработки данных - персональный компьютер с заданными программами, разработанными авторами.