Способ определения скорости вращения вала
METHOD FOR DETERMINING THE ROTATION SPEED OF A SHAFT

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использована в машиностроении для определения угловой скорости вращения валов большого диаметра в широком диапазоне скоростей.
Известен способ определения скорости вращения вала, заключающийся в освещении нанесенной на торец вала метки последовательностью импульсов света регулируемой частоты и фиксации получаемой неподвижной стробоскопической картины при этом синхронизируют начало освещения метки последовательностью импульсов света с моментом прохождения валом своего нулевого углового положения (см. авторское свидетельство SU №1700482 «Способ определения скорости вращения вала», МКИ G01P 3/40, 1989 г.). Известный способ является достаточно сложным и для его реализации требуется подход к торцу вала, что в большинстве случаев является невозможным, так как обычно вал является передаточный звеном от одного агрегата к другому.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения скорости вращения вала, включающий создание неравномерного режима импульсов с излучателя, установленного на поверхности вала, и измерение неподвижным датчиком импульсов с этого излучателя, с последующей обработкой результатов измерения (см. патент РФ на полезную модель №174921, МКИ G01P 3/487, 2017 г.). Данное техническое решение не обеспечивает надежного измерения скорости вращения вала. Дело в том, что в процессе вращения вала, как правило, он работает под воздействием колебаний различной частоты и амплитуды, которые оказывают влияние как на вал, так и на излучатель. Такое воздействие колебаний на излучатель приводит к быстрому его износу и выходу из строя, а также к снижению точности измерения искомой величины, особенно, если излучатель выполнен в виде приклеенных магнитных полосок.
Цель настоящего изобретения - повышение точности и надежности определения скорости вращения вала.
Данная цель достигается тем, что в известном способе определения скорости вращения вала, включающем создание неравномерного режима импульсов с излучателя, установленного на поверхности вала, и измерение неподвижным датчиком импульсов с этого излучателя, с последующей обработкой результатов измерения, в нем, согласно предложенного изобретения, в качестве излучателя используют шестеренчатое колесо, внутренний диаметр которого равен наружному диаметру вала, а зубья колеса имеют различную длину. При этом соотношение между максимальной и минимальной длительностью импульсов лежит в диапазоне (3 - 10). Применение в качестве излучателя шестеренчатого колеса позволяет сделать излучатель с валом как единое целое. Шестеренчатое колесо не подвержено износу, имеет высокопрочную конструкцию и не оторвется от вала, в отличии от магнитных полосок.
Для обеспечения более высокой точности определения скорости вращения вала во всем диапазоне в заявляемом способе по внутреннему алгоритму диапазон измерения автоматически разбивается, например, на три зоны: при высокой скорости вращения вала измеряется частота импульсов при временном периоде неравномерного режима с минимальной длительностью (Т1), при средней скорости вращения измеряется частота и длительность импульсов при временном периоде неравномерного режима со средней длительностью (Т2), а при медленной скорости вращения вала, близкой к нулевым значениям, измеряется частота и длительность импульсов при временном периоде неравномерного режима с максимальной длительностью (Т3). Таким образом, для обеспечения высокой точности определения вращения вала, требуется обеспечить для данного варианта такой неравномерный режим импульсов, при котором обеспечивают три различные длительности этих импульсов. При этом длительность импульсов пропорциональна длине зуба. Существует и минимальный вариант с двумя различными длительностью импульсов. В этом случае при средней скорости вала измеряется частота и длительность импульсов при временном периоде неравномерного режима как с максимальной, так и минимальной длительностью.
Предлагаемое техническое решение позволяет определить за счет различной длительности импульсов и направление вращения вала. Для этого фиксируется порядок следования более длительного и менее длительного импульса. В одном направлении сначала идет импульс с минимальной длительностью, а в другом направлении сначала идет импульс с максимальной длительностью.
Реализация предложенного способа реализуется конструкцией излучателя, создающего импульсы. На фигуре изображена такая конструкция в виде шестеренчатого колеса с различной длиной зубьев. На фигуре использованы следующие обозначения:
1 - вал;
2 - излучатель;
3 - датчик регистрации импульсов;
4 - зубья (элементы) излучателя;
5 - регистрирующая аппаратура.
На вал 1 устанавливается излучатель 2 в виде шестеренчатого колеса. Внутренний диаметр этого колеса равен наружному диаметру вала 1. Излучатель 2 имеет зубья 4, которые имеют различную длину. При вращении вала 1 вместе с ним вращается и излучатель 2. Зубья излучателя 4 в момент прохождения мимо неподвижного датчика регистрации импульсов 3 создают в нем сигнал, пропорциональный длине зубьев 4. Сигналы поступает на обработку в регистрирующую аппаратуру 5. Длительность сигнала (импульса) будет определяться либо длиной зубьев 4. На практике могут быть реализованы и другие варианты таких излучателей, которые создают: две различные длительности импульсов (минимальное и максимальное значение), четыре и даже пять различных длительностей импульсов. Результаты экспериментальной отработки показывают, что обычно трех различных длительностей импульса вполне достаточно для получения значений скорости вращения вала с высокой точностью. Таким образом, представленная на фигуре конструкция обеспечивает реализацию неравномерных режимов импульсов.
Реализация способа осуществляется следующим образом. При вращении вала 1 зубья (элементы) 4 излучателя 2 проходят под датчиком 3 регистрации импульсов, оказывают воздействие на этот датчик, сигналы с которого поступают на регистрирующую аппаратуру 5. При высокой скорости вращения вала (например, 300 оборотов в минуту и более) замеряется частота импульсов с минимальной длительностью Т1, при средней скорости вращения (от 50 до 300 оборотов в минуту) - частота импульсов со средней длительностью Т2, а при скорости вращения менее 50 оборотов в минуту - частота импульсов с максимальной длительностью Т3. Указанные пределы скорости вращения вала являются условными и зависят от его диаметра и ряда других параметров. Направление вращения вала определяется по последовательности фиксации импульсов с различной длительностью.
Соотношение между максимальной и минимальной длительностью импульсов лежит в диапазоне (3 - 10). Указанное соотношение определено экспериментально. При соотношении меньше трех увеличение точности незначительное. Чем больше это соотношение, тем выше точность определения скорости вала. Однако при величине соотношения больше десяти возникают проблемы с реализацией способа при изготовлении излучателя, так как длина окружности вала имеет определенную длину.
Использование шестеренчатого колеса с различной длиной зубьев в качестве излучателя позволяет существенно повысить надежность измерения скорости вращения вала за счет увеличения надежности работы излучателя, а также повысить надежность определения искомой характеристики за счет четкой границы окончания зубьев на шестеренчатом колесе.