УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФАЗОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА
ULTRASONIC PHASE TRANSDUCER OF SHAFT ROTATION ANGLE

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении угла поворота шнековых механизмов. Известно измерительное устройство, содержащее последовательно соединенные задающий генератор ультразвуковой частоты, излучающий преобразователь, исследуемый объект, 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 исследумый 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, исследуемый объект, 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 ультразвуковом фазовом измерительном устройстве, 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, аналогоцифровой 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
Ультразвуковое фазовое измерительное устройство 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 нелинейных искажений не возникает. 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 одно 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 угловой скорости и угла поворота вала с установленным на нем шнеком возникают дополнительные трудности, так как поверхность шнека представляет винтовую поверхность, где высота спирали шнека может быть одного порядка с диаметром шнека. Тогда выходной сигнал 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 увеличении угловой скорости вращения шнека. Кроме того, это устройство не позволяет измерять малые углы поворота вала со шнеком при его балансировке. Эти углы могут достигать сотых долей градуса и меньше в тех случаях, когда на вал действуют низкочастотные вибрации.
Известен также ультразвуковой фазовый вибропреобразователь, содержащий излучающий преобразователь, фазовращатель, приемный преобразователь, компаратор, источник опорного напряжения, фазовый детектор, блок обработки сигналов и задающий генератор, выход которого соединен с входом излучающего преобразователя, выход фазовращателя подключен к входу фазового детектора, выход которого подсоединен к входу компаратора, другой вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выход компаратора соединен с входами элементов И-Не и И, а выход элемента И-Не соединен с блоком обработки информации, другой вход которого соединен с выходом частотного детектора, а вход частотного детектора соединен с выходом элемента И [Гордеев Б.А, Новожилов М.В., Караванцев В.К., Королев В.А. Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь, патент РФ №1637493 A1, G01H 5/00].
Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь работает следующим образом.
Сигнал с выхода задающего генератора поступает на излучающий преобразователь, который излучает ультразвуковые волны в направлении исследуемого объекта. При этом начальное расстояние L должно удовлетворять условию: , где: n - целое число, λ - длина волны ультразвука в воздухе. Отраженный от исследуемого объекта ультразвуковой сигнал принимается приемным преобразователем, сигнал с выхода которого поступает на вход фазовращателя, изменяющего фазу сигнала на постоянную величину, чтобы соблюдалось условие расположения рабочей точки в центре прямолинейного участка выходной характеристики фазового детектора при неподвижном объекте исследования.
Возможны два случая, характерные для данного преобразователя. В первом случае, колебания исследуемого объекта не выходят за пределы линейного участка выходной характеристики фазового детектора. Это значит, колебания исследуемого объекта происходят с малой амплитудой и частотой. Тогда выходной сигнал фазового детектора несет всю информацию о виброперемещениях исследуемого объекта. В компараторе происходит контроль уровней выходного сигнала фазового детектора. Если уровни этого сигнала не выходят за пределы допустимых, установленных в компараторе, то фазовый детектор работает в обычном режиме и его выходной сигнал пропорционален виброперемещениям. В том случае, если величина выходного сигнала фазового детектора выходит за пределы допустимых уровней, установленных в компараторе, срабатывает элемент И-Не, фазовый детектор отключается, а через открывшийся элемент И сигнал с приемного преобразователя, пройдя фазовращатель, поступает на вход частотного детектора. При малых индексах частотной модуляции, когда m=1 или меньше, в частотном детекторе частотно модулированный сигнал преобразуется в амплитудно модулированный. Изменения значений выходного сигнала частотного детектора соответствуют изменениям виброскорости исследуемого объекта.
Этот ультразвуковой фазовый вибропреобразователь имеет существенный недостаток. Он не позволяет проводить вибродиагностику таких, например, устройств, как шнековые передачи в металлорежущих станках, шнековые буры в геологоразведочных работах, шнековые механизмы в дорожно-строительных машинах и т.д.
Наиболее близким по технической сути к заявляемому является патент Российской Федерации (Гордеев Б.А, Куклина И.Г., Голубева К.В., Гордеев А.Б. Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь // Патент на изобретение. Заявка №2011130282/28, 20.07.2011. Опубликовано 10.01.2013. Бюл. №1).
Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь содержит последовательно соединенные задающий генератор, усилитель мощности, излучающий преобразователь, исследуемый объект, вал со шнеком, приемный преобразователь, согласующий усилитель, формирователи меандров, входы которых соединены с выходами задающего генератора и согласующего усилителя соответственно, а выходы формирователей соединены со входами первого блока умножения, выход которого соединен с первым входом второго блока умножения, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а третий вход через последовательно соединенные кодовый диск, жестко закрепленный на валу шнека, датчик угла поворота вала, формирователь прямоугольных импульсов, имеющий два устойчивых состояния, соединен с выходом этого формирователя, а выход второго блока умножения через блок обработки данных соединен с цифроаналоговым преобразователем.
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 поступает на излучающий преобразователь, который излучает ультразвуковые волны в направлении исследуемого объекта - вала. Отраженный от исследуемого объекта ультразвуковой сигнал принимается приемным преобразователем, сигнал с выхода которого поступает на вход фазовращателя, 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 до излучающего и приемного преобразователей. При повышении частоты вращения вала 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. 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 отраженный сигнал поступает на первый вход фазового детектора, на второй вход которого поступает опорный сигнал с выхода генератора.
При этом имеют место два режима работы вибропреобразователя.
Первый, когда поле зондируемой поверхности вала свободно от ребра шнека. Это достигается тем, что кодовый диск, укрепленный на валу, соответствует такому углу поворота вала, при котором зондирующий ультразвуковой сигнал падает на свободное от шнека поле. В таком случае сигнал с датчика угла поворота вала, поступая на первый вход элемента «И» умножения, открывает его для прохождения сигнала с фазового детектора на блок обработки данных. Конструкция кодового диска может быть различной: или наличие прозрачных участков для прохождения оптических сигналов с датчика, 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. При дальнейшем вращении вала ребро шнека достигает поля, действия зондирующего ультразвукового луча. При этом датчик 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, поворачиваясь на соответствующий угол, изменяет выходной сигнал датчика угла поворота вала на полярный. Например, когда поле взаимодействия зондирующего луча с поверхностью вала свободно от шнека, то выходной сигнал датчика соответствует логической единице, а когда шнек приближается к этому полю, но не заходит в зону действия зондирующего ультразвукового луча, выходной сигнал датчика соответствует логическому нулю. Тогда открывается элемент «И-Не», и отраженный уже и от ребра шнека ультразвуковой сигнал через элемент «И-Не» поступает в частотный детектор и затем в блок 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).
0
Если ребро шнека является движущейся границей раздела сред по закону: Δt=lsinΩt, Тогда
.
Последнее выражение можно привести к виду:
+
0
0
0
1
0
f=A[J(m)cosωt-2J(m)sinΩtsinωt+
2
0
3
0
+2J(m)cos2Ωtcosωt-2J(m)sinωtcos3Ωt+…]
Или в более развернутой форме
+
0
0
0
0
0
1
0
f=Acos(ωt+msinΩt)=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(msinΩt)≈msinΩt, cos(msinΩt)≈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, который выполняет функции анализатора спектра.
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.
Однако данное устройство не позволяет проводить измерения малых углов поворота шнека. Например, с его помощью можно измерять только те углы, когда проявляется эксцентриситет вала. Кроме того, синхронизация измерений осуществляется с помощью кодового диска, укрепленного на валу, а здесь погрешность измерения обусловлена минимальным расстоянием между информативными полосами на диске, угловое расстояние между которыми не должно превышать нескольких угловых секунд с учетом торсионных моментов и момента инерции диска. Следовательно при измерении малых углов поворота шнека кодовый диск не обязателен. Но в таком случае зондирующий ультразвуковой луч надо направить не на вал шнека, а по нормали к плоскости спирали шнека.
Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для измерения параметров угловых вибраций в различных отраслях машиностроения.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет измерения минимальных угловых виброколебаний жестких роторов со сложной шнековой структурой.
Ультразвуковой фазовый преобразователь угла поворота вала (фиг.1) содержит последовательно соединенные задающий генератор 1, усилитель мощности 2, излучающий преобразователь 3, исследуемый объект 4, вал со шнеком, приемный преобразователь 5, согласующий усилитель 6, формирователи меандров 7, 8, входы которых соединены с выходами задающего генератора 1 и согласующего усилителя 6, соответственно, а выходы формирователей соединены со входами первого блока умножения 9, выход которого соединен с первым входом второго блока умножения 10, второй вход которого соединен с выходом генератора 11 тактовых импульсов, а третий вход через последовательно соединенные компаратор 13 и интегратор 12 соединен с выходом согласующего усилителя 6, выход второго блока 10 умножения через блок 15 обработки данных соединен с цифроаналоговым преобразователем 16, а второй вход компаратора 13 соединен с источником 14 опорного напряжения.
Ультразвуковой фазовый преобразователь угла поворота вала работает следующим образом.
Прежде всего при включенном генераторе ультразвукового сигнала 1 направляют зондирующий луч по направлению нормали к плоскости спирали шнека 4. Соответственно, отраженный от плоскости спирали шнека ультразвуковой луч также будет направлен по нормали к его плоскости. Это достигается тем, что излучающий и приемный преобразователи ультразвуковых сигналов монтируются в одной измерительной головке и плоскости излучения и приема сигналов компланарны. Такая конструкция позволяет настраивать измерительную головку на излучение и прием сигналов во второй зоне Френеля (прожекторной), чем обеспечивается более высокая чувствительность и точность измерения минимальных угловых колебаний шнекового вала.
Сигнал генератора 1 ультразвуковой частоты 100-300 кГц подается на усилитель мощности 2, а затем на излучающий преобразователь 3. Меняя частоту задающего генератора 1 добиваются наиболее эффективного излучения ультразвукового сигнала преобразователем 3 путем его настройки на частоту электромагнитного резонанса. При медленном вращении вала 4 плоскость спирали шнека, на которой имеется поле действия ультразвукового луча (пятно контакта), перемещается коллинеарно (параллельно) образующей вала шнека и фаза отраженного ультразвукового сигнала меняется на некоторую величину, которая зависит от угла поворота вала и направления его вращения. Модулированный по фазе ультразвуковой сигнал поступает на приемный преобразователь 5, настроенный на частоту механического резонанса. Преобразователь 5 преобразует сигнал акустической природы в сигнал электромагнитный со всеми индексами частотной и фазовой модуляции. Затем электромагнитный сигнал через согласующий усилитель 6 поступает одновременно на интегратор 12 и на формирователь меандра 8, где из синусоидального преобразуется в последовательность однополярных прямоугольных импульсов той же частоты. Интегратор 12 выполнен по схеме двухполупериодного выпрямителя. Это соответствует тому, что при повышении амплитуды выходного сигнала усилителя 6 уровень постоянного выходного напряжения интегратора 12 повышается. Выходное постоянное напряжение интегратора поступает на первый вход компаратора 13, на второй вход которого поступает сигнал с источника 14 опорного напряжения. В том случае, когда уровень сигнала на первом входе компаратора 13 превышает уровень сигнала на втором его входе, на выходе компаратора формируется прямоугольный импульс. Этот импульс является сигналом к началу измерений, так как его появление обусловлено направлением зондирующего луча по нормали к плоскости спирали шнека и расположением пятна контакта во второй зоне Френеля.
Далее работа устройства происходит следующим образом. На формирователь 7 поступает опорный сигнал с выхода задающего генератора 1 и на его выходе он приобретает форму меандра. Выходной сигнал формирователя 7, имеющего вид меандра, отличается от выходного сигнала формирователя 8 только тем, что может иметь некоторое рассогласование по фазе и частоте. Изменение фазы линейно связано с изменением расстояния отражающей поверхности плоскости спирали шнека до излучающего и приемного преобразователей, а изменение частоты характеризует скорость вращения вала. В данном случае фаза является информативным параметром. Оба сигнала прямоугольной формы поступают на входы первого блока 9 умножения, выполняющего роль фазового детектора, на выходе которого формируется последовательность прямоугольных импульсов различной длительности. Длительность импульсов характеризует изменение фазы и, следовательно, расстояния до исследуемого объекта. Эта последовательность прямоугольных импульсов поступает на первый вход второго блока 10 умножения, на второй вход которого поступают тактовые импульсы высокой, порядка 1 гГц, частоты с генератора 11 тактовых импульсов. Меняющееся число тактовых импульсов в выходном сигнале блока 10 соответствует изменению фазы между отраженным и опорным сигналами. На третий вход блока 10 поступает выходной сигнал компаратора 13, имеющего вид прямоугольного импульса, длительность которого соответствует времени превышения уровня сигнала на первом входе компаратора над уровнем сигнала на его втором входе, соединенным с выходом источника 14 опорного напряжения. Только в этом случае срабатывает схема умножения 10. Блок 15 анализа предназначен для представления реализации исследуемого процесса в частотной или во временной областях. Выходной сигнал этого блока через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 16 может поступать на осциллограф или непосредственно в компьютер, где в зависимости от программного обеспечения может анализироваться автокорреляционная функция, спектральный состав, гистограмма распределений информативных параметров. Направление зондирующего ультразвукового луча нормально к плоскости шнека позволяет повысить точность измерения угла поворота вала в n раз. Где число n представляет отношение длины винтовой линии шнека к длине окружности его проекции на плоскость, нормальную к оси вращения вала.
Рассмотрим идеальный случай. Допустим что частота излученного ультразвукового сигнала 240 кГц. Тогда длина волны ультразвука в воздухе = 1,33 мм. Что соответствует временному интервалу T=0,000004166 секунды, а частота импульсов тактового генератора 1 гГц. Длительность периода которого T=0,000000001 сек. Отсюда наименьшее перемещение шнека равно 0,32 микрона. Конечно такая величина в пределах ошибки измерения. Если длина шнека превышает длину его окружности, спроектированной на плоскость, нормальную к оси шнека в два раза, то соответствующий минимальный угол поворота вала составит порядка одной секунды при диаметре круга проекции 0,1 м.
Конструктивно предлагаемое устройство выполняется следующим образом. Задающий генератор - стандартный прибор, выпускаемый серийно, имеющий частотный диапазон от 20 килогерц 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. Блок обработки данных - персональный компьютер с заданными программами, разработанными авторами.