УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к области бесконтактных измерений перемещений объекта, в частности, к оптическим устройствам для регистрации движущихся объектов. Полезная модель может использоваться для измерения частоты вращения или неравномерности частоты вращения валов, регистрации движущихся объектов, измерения линейной скорости их перемещения или подсчета количества пройденных мимо объектов. Преимущественная область применения предлагаемого устройства - измерение частоты вращения вала.
Современные известные устройства для измерения скорости, в частности, вращения, построены на различных физических принципах: индуктивном, емкостном, эффекте Холла, оптическом. Наиболее широкое применение в настоящее время нашли оптические методы и устройства, которые позволяют производить бесконтактные измерения с высокой точностью. Применяемые в таких устройствах оптические бесконтактные датчики - это электронные устройства, которые обнаруживают контролируемый объект, отражающий или прерывающий оптическое излучение. (ZETLAB. Продукция. Датчики оборотов. [Электронный ресурс]. http://www.zetlab.ru/catalog/vibrodats/datchiki_oborotov.php, 01.06.2013). Датчик включает излучатель и приемник. Луч излучателя падает на контролируемый объект, диффузно отражается от него и попадает в приемник. Датчик срабатывает при наличии контролируемого предмета в зоне действия (области чувствительности) датчика.
Устройства измерения скорости перемещения, в частности, вращения вала, включают описанный оптический датчик и, по крайней мере, одну метку, которая устанавливается на объекте. В процессе работы луч от излучателя датчика направляют на поверхность вала с установленной меткой и приемник датчика регистрирует интенсивность отраженного от них излучения. Метка отличается от поверхности вала, например, цветом или отражающей способностью, поэтому интенсивность луча, отраженного от поверхности вала и метки, будет различной, что и регистрирует приемник. Датчик срабатывает при попадании метки в зону его действия (область чувствительности) и обеспечивает формирование импульсов, частота повторения которых пропорциональна частоте прохождения метки через область чувствительности датчика и, соответственно, частоте вращения объекта.
Максимальный сигнал - прием максимума отраженного света, - достигается при расположении излучателя относительно контролируемого объекта так, что луч падает на поверхность объекта под углом 90°, поскольку угол падения луча равен углу отражения.
Недостатком таких устройств является то, что стабильность работы существенно зависит от того, насколько различимы сигналы от метки и поверхности контролируемого объекта. Например, при измерении скорости вращения вала дизеля в реальных условиях, где валы покрыты пятнами масла, грязи, имеют сколы краски или другие пятна, оптический датчик может принимать за метку не только реальную метку, но и любые остальные дефекты поверхности вала. В регистрируемом сигнале создаются большие, меняющиеся во времени помехи. Все это в результате приводит к ошибкам и нестабильности работы. Чтобы избежать этого нужно, чтобы вал в месте установки метки, по всей окружности, имел одинаковое, бездефектное качество поверхности. Например, метка яркого цвета на фоне чистой, блестящей полосы неокрашенного стального вала. Тогда отраженный от поверхности вала поток будет всегда постоянен и контрастная метка будет хорошо распознаваема. В реальных условиях это плохо выполняемое условие. Поэтому, при всей простоте, безошибочность и стабильность работы устройства невысоки, После приблизительно 5 сек работы (20-30 оборотов вала) устройство дает сбой, необходима как аппаратная, так и программная настройка и адаптация к уровню помех. В зависимости от конкретного вала, его загрязненности, фона освещения приходится механически корректировать положение датчика относительно метки и настройку системы обработки сигнала датчика.
Один из путей улучшения распознаваемости метки при бесконтактных измерениях - это выделение полезного сигнала по спектру излучения из общего потока отраженного от реальной поверхности наблюдаемого объекта и фона. Известно использование с этой целью метки, выполненной из люминофора, который при падении на него луча, например, видимого света, инфракрасного излучения или ультразвука, излучает в определенном узком спектральном диапазоне чувствительности приемника. Такое устройство измерения скорости движущегося объекта также содержит метку, предназначенную для закрепления на объекте, источник излучения, формирующий луч для облучения поверхности закрепленной на объекте метки, и приемник отраженного от указанной метки излучения (а. с. SU 181823, G01b, оп. 21.04.1986). Конструктивная форма и приемы нанесения метки могут быть различными в зависимости от объекта измерений. В случае измерения скорости вращения вала метка может быть выполнена так же, как в описанном выше решении, в виде полоски, нанесенной на поверхность вала. Такое решение повышает точность измерений.
Недостатком является то, что реализация такого устройства требует предварительной экспериментальной или теоретической оценки фона, от которого необходимо отстраиваться, выбор рабочего диапазона с учетом ассортимента известных и доступных измерительных средств и материалов и, соответственно, непростого подбора составляющих устройство элементов. Кроме того, стабильность его работы также не велика.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, - создание простого, стабильно работающего устройства измерения скорости перемещения, преимущественно вращения, объекта.
Технический результат, обеспечивающий решение задачи - повышение стабильности работы в течение длительного промежутка времени при конструктивной простоте и простоте реализации.
Технический эффект достигается за счет того, что в известном устройстве для измерения скорости перемещения объекта, включающем, по крайней мере, одну метку, предназначенную для закрепления на движущемся объекте, источник излучения, формирующий луч для облучения поверхности закрепленной на объекте метки, и приемник отраженного от указанной метки излучения, в отличие от известного метка выполнена так, что при закреплении на объекте, поверхность ее, предназначенная для облучения, располагается под углом к поверхности объекта в диапазоне 15-75°, а источник излучения расположен так, чтобы луч падал на указанную поверхность метки под прямым углом.
Предлагаемое решение является новым, так как в настоящее время неизвестно аналогичное решение, характеризуемое приведенной совокупностью признаков.
Сущность предлагаемого решения заключается в том, что при таком выполнении и взаимном расположении элементов устройства, приемник фиксирует только поток, отраженный от метки; в него не попадет излучение, отраженное от поверхности самого движущегося объекта. То есть, приемник фиксирует только полезный сигнал; исключается попадание в приемник отражений, которые могут быть приняты за реальную метку. Метка безошибочно распознается.
Качество отражающей поверхности метки может быть любым и менять со временем цвет, рельеф и контрастность. Качество поверхности объекта также может быть любым. Приемник будет регистрировать только не меняющийся, отраженный, от метки поток на неизменном фоне окружающего пространства. Все перечисленное обуславливает стабильную работу устройства в течение достаточно длительного времени, что подтверждается данными экспериментальной проверки.
Кроме простоты конструкции и эксплуатации, исключаются специальные требования к качеству и чистоте поверхности объекта, окружающей метку. Также исключается недостаток, присущий прототипу, так как можно применять любой доступный приемник излучения: инфракрасный, световой или лазерный.
Таким образом, предлагаемое устройство вследствие своих отличий, обеспечивает достижение указанного технического эффекта - повышение стабильности работы в течение длительного промежутка времени при конструктивной простоте и простоте реализации.
Сущность предлагаемого решения поясняется фиг.1 и описанием работы устройства. Представлен конкретный вариант выполнения предлагаемой полезной модели, в котором используется оптический датчик, конструктивно объединяющий источник излучения, формирующий луч для облучения поверхности метки, и приемник отраженного от указанной метки излучения. Источник и приемник заключены в общий корпус. На фиг.1 схематически показаны: а) - ход лучей между моментами попадания метки в зону действия датчика, б) - ход лучей в момент попадания метки в зону действия датчика. На фиг.1:
1 - оптический датчик,
2 - наблюдаемый объект - вал,
3 - закрепленная на поверхности вала метка.
Ход лучей показан стрелками. Форма выполнения метки и указанный угол соответствуют одному из возможных вариантов реализации. Выполнение метки в форме клина - наиболее простой вариант.
Описанное устройство работает так же, как и другие подобные устройства, например, как аналог. Луч излучателя оптического датчика 1 направляется на поверхность метки 3, закрепленной на поверхности наблюдаемого объекта 2, а приемник датчика 1 фиксирует поток, отраженный от метки. Датчик включен в схему или подключен к устройству регистрации сигнала, например, к частотомеру или многоканальной измерительной системе (на фиг. не показаны).
Датчик срабатывает при попадании метки в зону его действия и обеспечивает формирование импульсов, частота повторения которых пропорциональна частоте прохождения метки через область чувствительности датчика и, соответственно, частоте вращения объекта. Импульсы считает частотомер или многоканальная измерительная система.
Работа предлагаемого устройства раскрывается на примере конкретного применения для измерения скорости вращения коленчатого вала дизеля 64Н18/22 с диапазоном скоростей 450-750 об/мин. Устройство состоит из оптического датчика оборотов ВС 401, работающего в видимой области спектра, и метки, выполненной из алюминиевой полосы в форме клина, размеры и геометрия которого указаны на фиг. 1. Клин приклеен к поверхности вала широко применяемым в быту и промышленности клеем "Момент", доступным в розничной продаже. Поверхность вала в месте расположения метки специально не обрабатывалась - лишь настолько, насколько это необходимо для надежного приклеивания метки из алюминия к поверхности стального вала. Оптический датчик установлен так, что луч излучателя падает на метку под прямым углом. Луч, при попадании на метку, отражается под углом 90° и точно попадает в приемник датчика. Спектр, в котором работает устройство, может быть любым. Для обработки сигналов датчика использована система оценки качества рабочего процесса дизеля - «Дизель-Адмирал 12М» Опытная эксплуатация показала, что устройство обеспечивает стабильную работу в течение времени проведения замеров до 1 часа непрерывной работы. Такое же конструктивно простое устройство-аналог обеспечивает стабильную работу в течение промежутка времени до 5 сек (20-30 оборотов вала).
Промышленное осуществление и применение предлагаемой полезной модели очевидны. Реализация ее не требует разработки новых материалов и технологий. Она легко реализуется в промышленных условиях из широко доступных, известных составляющих по известным технологиям. Предлагаемое устройство может применяться в различных системах измерения частоты вращения или неравномерности частоты вращения валов, измерения линейной скорости перемещения объектов или подсчета количества пройденных мимо объектов. Преимущественная область использования - измерение скорости вращения вала.