БЕСКОНТАКТНОЕ РАДИОВОЛНОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
CONTACTLESS RADIO WAVE DEVICE FOR MEASUREMENT OF ROTATION FREQUENCY

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного бесконтактного определения скоростей вращения таких объектов, как роторы турбин, валов, вентиляторов и вращающихся узлов и механизмов.
Известны радиоволновые устройства измерения, которые используют для бесконтактного определения частот вращения (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С.Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. -М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.).
Большинство известных устройств измерения связано с зондированием вращающегося объекта электромагнитными волнами, приемом отраженных волн и измерением их характеристик. Фазы отраженных волн при этом будут постоянно меняться вследствие того, что при вращении объекта одни его элементы приближаются, а другие удаляются по отношению к приемной и передающей антеннам. Эта фазовая модуляция позволяет получить информацию о частоте вращения.
Известно также техническое решение - радиоволновое устройство измерения частоты вращения, которое по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому устройству и принятое в качестве прототипа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С.Радиоволновые измерения параметров технологических процессов.- М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.). Данное устройство-прототип содержит генератор электромагнитных волн фиксированной частоты, подсоединенный через основной волновод направленного ответвителя и циркулятор к приемо-передающей антенне для излучения электромагнитных волн в сторону вращающегося объекта по нормали к оси вращения, смеситель излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, к первому и второму входам которого подсоединены-, соответственно-, генератор через вспомогательный волновод направленного ответвителя и антенна через циркулятор, выход смесителя подсоединен к полосовому перестраиваемому фильтру для выбора соответствующей гармоники в сигнале, по частоте которой судят о частоте вращения объекта.
Однако существенным недостатком этого устройства является тот факт, что отдельные выступающие элементы и неоднородности объекта вращения приводят к наличию в спектре сигнала многих частотных составляющих, которые вследствие эффекта Доплера еще и постоянно меняют свою частоту. Одновременно с этим на сигнал накладывается амплитудная модуляция, вызванная наличием на объекте гладких и шероховатых частей, пятен масла и краски. Вследствие этого сигнал имеет сложный характер, что затрудняет измерение частот гармоник сигнала и в результате снижает точность измерения частоты вращения.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат в предлагаемом устройстве измерения частоты вращения достигается тем, что в устройстве, содержащем генератор электромагнитных волн фиксированной частоты, направленный ответвитель, циркулятор, приемо-передающую антенну для излучения электромагнитных волн в сторону вращающегося объекта по нормали к его оси вращения, соединенную с циркулятором через основной волновод направленного ответвителя с генератором, смеситель излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, к первому и второму входам которого подсоединены соответственно генератор через вспомогательный волновод направленного ответвителя и антенна через циркулятор, при этом дополнительно содержит второй генератор электромагнитных волн с той же фиксированной частотой, второй направленный ответвитель, второй циркулятор, вторую приемо-передающую антенну для излучения электромагнитных волн в сторону вращающегося объекта по нормали к оси вращения на том же расстоянии от оси вращения и в той же плоскости, но под углом а к направлению излучения первой антенной, соединенную с циркулятором через основной волновод направленного ответвителя со вторым генератором, второй смеситель излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, к первому и второму входам которого подсоединены соответственно второй генератор через вспомогательный волновод второго направленного ответвителя и вторая антенна через второй циркулятор, вычислительный блок, входы которого соединены с выходами первого и второго смесителей. Частота вращения объекта определяется в вычислительном блоке из определения временной задержки между сигналами с выходов смесителей, которая определяется из временного положения максимума корреляционной функции между этими сигналами и углом α.
На Фиг. 1 приведена структурная схема устройства.
1
2
На Фиг. 2 показаны временные диаграммы сигналов φ(t) (Фиг. 2а), φ(t) (Фиг. 2б) и корреляционной функции (Фиг. 2в), поясняющие процесс измерения частоты вращения объекта.
На Фиг. 1 показаны генераторы одинаковой фиксированной частоты 1, 6, направленные ответвители 2, 7, циркуляторы 3, 8, антенны с одинаковыми характеристиками 4, 9, смесители 5, 10, вычислительное устройство 11 и вращающийся объект 12.
Устройство работает следующим образом.
1
2
12
Электромагнитные колебания фиксированной частоты от генератора 1 поступают через направленный ответвитель 2 и циркулятор 3 на антенну 5. Излучаемые ею электромагнитные волны направляются в сторону вращающегося объекта 12 по нормали к оси вращения, отражаются от него, принимаются антенной 5 и через циркулятор 3 поступают на первый вход смесителя 5. Одновременно эти же электромагнитные колебания через дополнительный вывод направленного ответвителя 2 поступают от генератора 1 на второй вход смесителя 5. В это же время электромагнитные колебания фиксированной частоты от генератора 6 поступают через направленный ответвитель 7 и циркулятор 8 на антенну 9. Эта антенна расположена таким образом, что излучаемые ею электромагнитные волны также направляются в сторону вращающегося объекта 12 по нормали к оси вращения, но при этом она расположена на одинаковом удалении от оси вращения на том же расстоянии и в той же плоскости, что и антенна 5, и направлена под углом α к ней. Эти электромагнитные волны отражаются от вращающегося объекта 12, принимаются антенной 8 и через циркулятор 9 поступают на первый вход смесителя 10. Одновременно эти же электромагнитные колебания через дополнительный вывод направленного ответвителя 7 поступают от генератора 6 на второй вход смесителя 10. Сигналы  φ(t) и φ(t) (см. Фиг. 2а, 2б), поступающие с выходов смесителей 5 и 10, подаются на входы вычислительного устройства 11, в котором вычисляется корреляционная функция между этими сигналами С (см. Фиг. 2в), определяется ее максимальное значение и по положению этого максимума на временной оси определяется время задержки τ в секундах. Зная это значение, а также угол α в радианах между направлениями излучения двух антенн, скорость перемещения поверхности объекта вращения V можно вычислить по формуле
V=α/τ (рад/сек)
Период одного оборота в секунду Т=2π/V=2πτ/α, частоту вращения объекта W в оборотах в минуту можно вычислить по формуле
В примере, показанном на Фиг. 2, время задержки τ=16 мс, тогда при α=π/5 согласно формуле (1) W=375 (об/мин).
Таким образом, данное устройство позволяет решить проблему измерения частоты вращения объекта по спектру фазы отраженного сигнала при его сложном характере в случае наличия во вращающемся объекте различных неоднородностей за счет измерения временной задержки между отражениями волн от текущих положений отражающей поверхности вращающегося объекта в разных его положениях.