Устройство для измерения частоты вращения валов

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения части вращения валов в изделиях различной сложности.
Структурно в средствах измерения частоты вращения валов механизмов можно выделить следующие функциональные блоки:
- фазопреобразователь, который преобразует текущее значение угла поворота вала объекта исследования в фазовый информационный сигнал;
- дискриминатор, выявляющий мгновенное значение фазового сигнала;
- блок подготовки выходной информации.
Используют различные физические принципы. В быстродействующем многофункциональном электромеханотронном преобразователе (патент RU 94025302 А1, опубл. 20.05.1996) в качестве фазопреобразователя применен вращающийся трансформатор. Распределение по уровню напряжений синусных и косинусных выводов трансформатора обеспечивает дискретизацию.
Иногда элементы измерителя частоты вписывают в конструкцию изделия. В муфте для соединения четырех валов с возможностью одновременного контроля их частоты вращения (патент RU 21а24656 С1, опубл. 10.01.1999) применено магнитоэлектрическое взаимодействие магнитных элементов (пальцев) с измерительными электрическими катушками.
В отдельных случаях частоту вращений вала исследуемого объекта определяют косвенно через измерения состояния элементов объекта исследований. По способу определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей (патент RU 2731322 С1, опубл. 01.09.2020) выявляют амплитуды спектра напряжения и тока одной фазовой объект двигателя, т.е. осуществляется фазопреобразование.
Особенности измерения частоты вращения вала исследуемого изделия появляются в случаях, когда крутящий момент вала носит импульсный характер, например в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). По способу оценки неравномерности работы двигателя внутреннего сгорания (патент RU 2 772163 С1, опубл. 18.05.2022) используют датчики силы в опорах двигателя.
Известные средства измерения частоты вращения валов имеют низкие потребительские свойства: они узкоспециализированы и не позволяют применять для измерения частоты вращения валов во всем диапазоне конструкций подлежащих исследованию изделий.
Наиболее близким по элементному составу и функциям элементов к предлагаемому устройству для измерения частоты вращения валов является кодирующий оптический преобразователь угловых перемещений сканирующего луча в системе телеориентирования управляемого объекта по патенту RU 2117901 С1 опубл. 20.08.1998. Поименованное изделие принято в качестве прототипа. В этом изделии имеется корпус и входной вал (вал электродвигателя). Функционально можно выделить фазопреобразователь, который выполнен в виде сканирующей рамки, и дискриминатор, содержащий растровый диск с осветителями и фотоприемниками. Сигналы дискриминатора обрабатываются блоком подготовки выходной информации, который выполнен на типовых функциональных элементах электроники.
Изделию-прототипу свойственны те же недостатки, что и изделиям-аналогам.
Техническим результатом предлагаемого решения является расширение потребительских свойств устройства для измерения частоты вращения валов.
Решаются задачи:
1. Разработка простой и высокотехнологичной конструкции устройства для измерения частоты вращения валов позволяющего проводить измерения при различных кинематических связях с валом объекта исследования:
- по осевому контакту консольного вала;
- по цилиндрическому контакту;
- по торцевому контакту с элементом вала, не имеющего доступных цилиндрической части или ярковыраженных осевых поверхностей, например маховиков.
2. Выходная информация должна отражать усредненное и мгновенное значения частоты вращения.
3. Обоснование принимаемых решений.
Указанный выше технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения частоты вращения валов, содержащем корпус и входной вал, связанный с фазопреобразователем, дискриминатор сигнала фазопреобразователя и блок подготовки выходной информации, отличающееся тем, что фазопреобразователь выполнен в виде осерасположенного осветителя с узким оптическим лучом и плоского отражетельного зеркала, закрепленного под углом на торце входного вала, дискриминатор сигнала фазопреобразователя выполнен в виде кольцевого световода, первые концы световолокон которого размещены по кольцу с равным шагом в зоне отраженного луча фазопреобразователя, а вторые собраны в пучок, который оптически связан с фотоприемником, при этом блок подготовки выходной информации содержит каналы фазы, усредненного и мгновенного значений частоты вращения, что канал мгновенных значений частоты вращения содержит последовательно соединенные формирователь сигнала фотоприемника, счетный триггер, интегратор и регистратор, канал фазы содержит два конъюнктора, RS-триггер, счетчик импульсов и дешифратор, при этом выход первого конъюнктора соединен с установочным входом RS-триггера, выход второго конъюнктора подключен к входу счета счетчика импульсов, выход последнего связан со входом дешифратора, единичный выход RS-триггера соединен с первым входом второго конъюнктора и вторым входом регистратора канала мгновенных значений частоты вращения, второй вход второго конъюнктора подключен к выходу формирователя канала мгновенных значений частоты вращения и первому входу первого конъюнктора, второй вход первого конъюнктора соединен с нулевой шиной дешифратора, а выходная шина последнего соответствующая числу импульсов счетчика равному количеству световолокон кольцевого световода образует шину сброса RS-триггера и счетчика импульсов, при этом инверсивный выход RS-триггера соединен с третьим входом первого конъюнктора, канал среднего значения содержит цепь стробирования в составе генератора опорной частоты, конъюнктора, счетчика импульсов, дешифратора и RS-триггера, и индикаторную цепь в составе конъюнктора, счетчика импульсов, дешифратора и индикатора, при этом выход генератора опорной частоты соединен с первым входом конъюнктора цепи стробирования, выход последнего соединен с входом счета счетчика цепи стробирования, его выход связан со входом дешифратора, выходная шина последнего, соответствующая длительности импульса стробирования, соединена с входами сброса счетчика импульсов и RS-триггера, установочный вход которого соединен с выходом первого конъюнктора цепи фазы, единичный выход RS-триггера связан со вторым входом конъюнктора цепи стробирования и первым входом конъюнктора цепи индикации, второй вход последнего соединен с выходом формирователя канала мгновенных значений частоты вращения, выход конъюнктора цепи индикации соединен с входом счета счетчика цепи индикации, выход последнего через дешифратор соединен с индикатором, при этом вход сброса счетчика цепи индикации соединен с шиной сброса канала фазы.
Конструкция устройства для измерения частоты вращения валов отражена на чертежах:
фиг. 1 - осевой разрез в комплекте с осевым наконечником;
фиг. 2 - конструкция бокового наконечника;
фиг. 3 - схема измерения с использованием цилиндрической поверхности вала объекта исследований;
фиг. 4 - схема измерения с использованием торцовой поверхности вала объекта исследований;
фиг. 5 - функциональная схема блока подготовки выходной информации;
фиг. 6 - эпюры напряжений на выходах элементов функциональной схемы;
фиг. 7 - схема интегратора;
фиг. 8 - форма импульса мгновенного значения частоты вращения.
Принятие обозначения
1. Корпус
2. Крепежные резьбовые отверстия
3. Входной вал
4. Подшипники вала
5. Втулка входного вала
6. Упорное кольцо
7. Заглушка
8. Винты заглушки
9. Зеркало
10. Осветитель
11. Втулка световода
12. Пазы втулки 11
13. Шлицевой паз втулки 11
14. Световолокна
15. Фотоприемник
16. Печатная плата
17. Винты связи платы 1 6 и втулки 11
18. Винты (потай) крепления платы 16 к корпусу 1
19. Цифровой индикатор
20. Электрический разъем
21. Колпак
22, 23. Электрические жгуты
24. Винты крепления колпака
25. Сквозной штифт входного вала
26. Корпус центрального наконечника
27. Паз корпуса наконечника
28. Фрикционная насадка центрального наконечника
29. Корпус бокового наконечника
30. Фрикционная насадка бокового наконечника
31. Формирователь импульсов
32. Счетный триггер
33. Интегратор
34. Конъюнктор интегратора
35. Регистратор
36. RS-триггер фазы
37. Конъюнктор триггера 36
38. Счетчик
39. Конъюктор
40. Дешифратор
41. Генератор опорной частоты
42. Счетчик цепи строба
43. Конъюнктор
44. Дешифратор
45. RS-триггер строба
46. Конъюнктор
47. Счетчик результата
48. Дешифратор
49. Боковой наконечник
50. Вал объекта исследования
Имеется корпус 1 чашеобразной формы с резьбовыми отверстиями 2 для крепления рассматриваемого устройства на объекте исследования, например с помощью манипулятора. Входной вал 3 снабжен подшипниками 4. При сборке подшипники запрессовываются на валу по внутреннему кольцу. Эта оборонная единица помещена во втулку 5, которая запрессована в глухое отверстие корпуса. Осевое смещение вала ограничивается по наружным кольцам подшипников с применением упорного кольца 6 и заглушки 7. Последняя фиксируется на втулке 5 с помощью винтов 8.
На внутреннем торце входного вала выполнено отражательное зеркале 9 под углом к осевой линии. Технологически зеркало выполняют в виде отдельной детали, либо полировкой этой части вала. Зеркало входит в состав фазопреобразователя. К последнему относится также осветитель 10 с узким оптическим лучом. При вращении входного вала отраженный от зеркала луч осветителя описывает коническую поверхность.
Функциональный блок дискриминатора выполнен в составе кольцевого световода с фотоприемником. Кольцевой световод содержит ступенчатую втулку 11, на поверхности большого диаметра которой выполнена группа пазов 12, расположенных с постоянным шагом. На поверхности меньшего диаметра втулки выполнен шлицевой паз 13. При сборке световода первые концы световолокон 14 укладывают в пазы 12, а вторые в шлицевой паз 13, при этом среднюю часть световолокон распределяют по поверхности втулки 11. Эти последовательные технологические шаги сопровождаются закпреплением световолокон посредством компаунда. Фотоприемник 15, например фотодиод, закреплен на печатной плате 16. На этой же плате закреплен осветитель 10. Печатная плата 16 и втулка 11 соединены винтами 17.
Полученная сборочная единица крепится к корпусу 1 винтами 18 с головкой потай. Для реализации крепежного резьбового отверстия в плате 16 выбирают соответствующую толщину заготовки платы.
Электронные компоненты блока заготовки выходной информации смонтированы на печатной плате 16, а цифровой индикатор 19 среднего значения частоты вращения и электрический разъем 20 вынесены на колпак 21. Такое решение обеспечивает достаточно большой размер цифр индикатора 19. Электрическая связь печатной платы с индикатором и разъемом осуществляются жгутами 22, 23. Длина жгутов выбирается достаточной, чтобы выполнять монтажные работы со снятым колпаком. После монтажа колпак 21 крепится к корпусу 1 винтами 24.
В спецификацию предлагаемого изделия входят сменные наконечники и внешние регистратор с блоком электропитания. Сменные наконечники фиксируются на входном валу посредством его сквозного штифта 25.
Сменные наконечники обеспечивают кинематическую связь вала объекта исследования и входного вала 3. На фиг. 1 изображен центральный наконечник для связи с центром торца консольной части вала исследуемого объекта. Данный наконечник содержит корпус 26, его втулочная часть имеет сквозной паз 27 по ширине равный диаметру штифта 25 (см. также фиг. 2). На торцевой части корпуса наконечника установлена фрикционная насадка 28.
Другой вариант боковой наконечник - изображен на фиг. 2. Корпус 29 имеет аналогичную втулочную часть с пазом 27. В этом варианте фрикционная насадка выполнена в виде кольца 30.
Блок подготовки выходной информации содержит каналы мгновенного значения частоты вращения (в дальнейшем канал мгновенного значения), канал среднего значения частоты вращения (канал среднего значения) и канал фазы.
31
32
Обратимся к каналу мгновенного значения. Имеется формирователь 31, который формирует из сигнала фотоприемника 15 прямоугольный импульс длительностью равный времени прохождения фронта оптического луча по торцу световолокна 14 - см. фиг. 6, эпюра U. Импульсы формирователя поступают на вход счетного триггера 32, на прямом выходе которого появляется последовательность прямоугольных импульсов (эпюра U), длительностью равной времени смещения оптического луча между соседними световолокнами кольцевого световода. Далее импульсы триггера 32 поступают на вход итегратора 33 (см. фиг. 7).
u
u
Преобразование длительности в амплитуду построено на интегрирующей цепи R1C. Для повышения чувствительности преобразования интегратор запитывается напряжением U более высоким, чем питание Е микросхем. За время действия импульса триггера 33 через конъюнктор 34 поступает напряжение U на R1C цепь и проходит заряд конденсатора С по экспоненте (см. фиг. 8). Начальный участок экспоненты можно апроксимировать отрезком прямой, тогда выходное напряжение интегратора будет равно
u
i
i
i+l
i+1
Длительности t=t будет соответствовать амплитуда U, а длительности t=t - амплитуда U. Сброс интегратора осуществляется за счет транзистора VT потенциалом инверсного выхода триггера 32 на базу транзистора. Выходной сигнал интегратора через электрический разъем 20 поступает на вход регистратора 35.
0
0
Канал фазы содержит RS-триггер оборота 36 с входным конъюнктором 37, счетчик 38 с конъюнктором 39 и кодопреобразователь (дешифратор) 40. В исходном положении держится логическая на инверсном выходе триггера 36 и на шине О дешифратора 40, что держит открытым конъюнктор 37. Первый импульс формирователя 31 проходит через конъюнктор 37 и по установочному входу опрокидывает триггер 36, который открывает конъюнктор 39 и начинается заполнение счетчика 38 импульсами формирователя 31, исчезает потенциал шины О дешифратора, закрывается конъюнктор 37. При достижении на счетчике 38 числа импульсов n равного количеству световолокон световода, на выходе n дешифратора 40 появляется логическая единица и происходит сброс. В результате на единичном выходе триггера 36 будет импульс длительностью равной времени одного оборота входного вала 3. Этот импульс поступает на вход регистратора 35.
G
Канал среднего значения содержит цепь стробирования (цепь строба) в составе генератора 41 опорной частоты, с периодом следования импульсов T, счетчика 42 с конъюнктором 43, дешифратора 44 счетчика цепи строба и RS-триггера 45. Индикаторная цепь канала содержит входной конъюнктор 46, счетчик результата 47 с десятичным дешифратором 48 и цифровой индикатор 19.
1
c
В момент времени t (см. фиг. 6) импульс с выхода конъюнктора 37 одновременно устанавливает в единичное состояние триггер 36 оборота и триггер 45 строба. Последний открывает конъюнктор 43, и начинается заполнение счетчика 42 строба. При достижении на счетчике 42 количества импульсов N возбуждается шина t дешифратора 44, потенциал которой сбрасывает триггер строба 45
c
u
2
3
Импульс триггера строба 45, равный длительности интервала стробирования t открывает конъюнктор 46 индикаторной цепи и импульсы формирователя 31 начинают заполнять счетчик 47. После окончания импульса триггера строба 45 конъюнктор 46 закрывается. На счетчике 47 будет записано количество импульсов N соответствующее среднему значению частоты вращения. Показания счетчика 47 переводятся дешифратором 48 в десятичный код и отражаются на цифровом индикаторе 19. Эти показания в пределах оборота входного вала удерживаются в интервале t - t.
3
0
4
Цикл работы блока подготовки выходной информации заканчивается в момент времени t при прохождении сигнала сброса с выхода пдешифратора 40. Следующий цикл начинается в момент времени t при появлении очередного импульса формирователя 31.
и
c
0
Обычно частоту вращения со фиксируют в размерности об/мин. Для того чтобы на счетчике результата 47 количество импульсов п было равно значению со следует определять длительность импульса строба t (в секундах) с учетом количества световолокон п в кольцевом световоде
где 60 - количество секунд в минуте.
При производстве измерений частоты вращения вала с применением бокового наконечника 49 (фиг. 2) в результат измерения следует вводить поправочный коэффициент.
Случай измерения частоты вращения ω вала 50 исследуемого объекта по цилиндрической поверхности (фиг. 3). Из условия отсутствия проскальзывания получим
где ω - частота вращения вала объекта исследований;
H
ω - частота вращения бокового наконечника (показания индикатора 19).
Поправочный коэффициент равен
B
Второй случай (фиг. 4) - измерение частоты вращения вала по большой торцевой поверхности, например поверхности маховика, когда нет доступа к цилиндрической поверхности и отсутствуют поверхности для использования центрального наконечника. В процессе вращения точка контакта будет описывать на торцевой поверхности окружность радиусом r.
Для этой схемы измерения
где
Пользуются устройством для измерения частоты вращения валов следующим образом,
1. При доступности к средней консольной части вала исследуемого объекта применяют центральный наконечник. Совмещая осевые линии вала объекта и входного вала 3 обеспечивают фрикционный контакт. На индикаторе 19 будет отражено среднее значение частоты вращения, а на первой строке регистратора 35 фазовые импульсы в форме прямоугольника длительностью равной времени одного оборота вала. На второй строке регистратора запишется последовательность импульсов, отражающих мгновенное значение частоты вращения.
ц
2. При измерениях частоты вращения по цилиндрической поверхности вала исследуемого объекта используют боковой наконечник (фиг. 2) и схему измерения по фиг. 3. Фактическое значение частоты вращения находят путем умножения показаний индикатора 19 на поправочный коэффициент K - формула (5).
T
3. При измерениях частоты вращения по торцевой поверхности вала исследуемого объекта применяют боковой наконечник (фиг. 2) и схему измерения по фиг. 4. Фактическое значение частоты вращения находят путем умножения показаний индикатора 19 на поправочный коээфициент K - формула (7).
Таким образом, предлагаемое устройство для измерения частоты вращения валов обладает широкими потребительскими свойствами. Оно позволяет измерять частоту вращения валов во всем многообразии конструкций объектов исследования. Конструкция предлагаемого устройства проста. Технологичность конструкции обеспечивается блочным принципом исполнения. Блок подготовки выходной информации построен на типовых элементах электроники.