УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА ГИРОСКОПА

Полезная модель относится к контрольно-измерительной аппаратуре для определения параметров гироскопических устройств, имеющих негерметичную вентиляционную конструкцию и электрический привод ротора.
Известно устройство измерения частоты вращения ротора гироскопа (http://igor-krylov.narod.ru/Laba_7.pdf, лабораторная работа «Гироскоп», 08.05.2013) представляющее собой диск, соосно соединенный с ротором гироскопа. На одной из поверхностей диска нанесена светоотражающая радиальная линия, которая при измерении освещается лампой строботахометра. Частоту мигания лампы строботахометра можно изменять с помощью ручного регулятора. Изменяя ручным регулятором частоту включений лампы добиваются, кажущегося внешнему наблюдателю, неподвижного состояния радиальной линии на диске. По положению задающего ручного регулятора строботахометра определяют частоту вращения диска, то есть ротора гироскопа.
Недостатки указанного устройства измерения заключаются в необходимости оснащения гироскопического устройства внешним диском. Изготовление диска и его балансировка на гироскопическом приборе требуют высокоточного металлообрабатывающего и контрольно-измерительного оборудования. Кроме того подключение к оси гироскопического устройства дополнительного вращающегося элемента искажает первичные естественные динамические и инерционные характеристики устройства.
Также к недостаткам указанного устройства измерения также следует отнести необходимость расширения габаритов гироскопического устройства для возможности расположения напротив диска лампы строботахометра и для доступа обслуживающему персоналу осуществлять наблюдение за положением радиальной линии.
Известно устройство измерения частоты вращения ротора гироскопа (http://phlaby.narod.ru/19888.doc, лабораторная работа «Изучение прецессии гироскопа», 08.05.2013 - прототип) которое содержит источник питания, генератор волнового излучении, приемник отраженного излучения, анализирующее устройство, ротор, в теле которого сделаны нарезки-углубления по окружности внешней части, а также отверстие в кожухе устройства для прохождения волнового излучения между датчиком частоты вращения ротора и нарезками-углублениями ротора.
Выступающие части нарезок ротора гироскопа покрывают светоотражающим составом и освещают лампой фотоэлектрического датчика частоты вращения, расположенного снаружи гироскопического устройства. По отражениям освещающего излучения с помощью приемника и анализирующего устройства вычисляют частоту вращения ротора гироскопа.
Недостатком указанного устройства измерения является усложнение конструкции ротора гироскопа, заключающееся в необходимости формирования в теле ротора нарезок-углублений, что требует высокоточного металлообрабатывающего оборудования, используемого в процессе изготовления ротора.
К недостаткам указанного устройства измерения также следует отнести необходимость расширения габаритов корпуса гироскопического устройства для возможности расположения напротив нарезок-углублений ротора фотоэлектрического датчика, содержащего осветительную лампу и фотоэлемент, фиксирующий отраженное излучение света.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является создание устройства измерения частоты вращения ротора гироскопа, которое не требует изменений, как тела ротора гироскопа, так и внешних деталей гироскопического устройства.
Указанная задача решаются тем, что в предлагаемом устройстве для получения информации о частоте вращения ротора гироскопа используют периодические отраженные от внешней поверхности ротора сигналы электромагнитного излучения лазерного диапазона, проходящие по вентиляционным отверстиям гироскопического устройства. Лазерное излучение характеризуется чрезвычайно малой энергетической расходимостью (малым сечением луча излучения), монохроматичностью излучения (практически одной частоты) и высокой когерентностью (сохранением фазы колебаний), что в целом позволяет формировать узконаправленные волны излучения, направлять их в требуемом направлении и проводить высокоточные временные измерения отраженных сигналов.
Для получения отраженных сигналов небольшой участок поверхности ротора, на которую попадает лазерное излучение, маркируется краской или специальным бумажным стакером, отражающими данное излучение. Указанный маркер располагается на роторе в том месте, которое при вращении ротора проходит около вентиляционных отверстий внутреннего кожуха гироскопического устройства. Волны лазерного диапазона попадают на ротор от излучателя, расположенного снаружи внешнего корпуса устройства, через вентиляционное отверстие корпуса и малогабаритную зеркальную пластину, отражающая плоскость которой располагается под одинаковыми углами к излучателю и к вентиляционному отверстию в кожухе устройства. Зеркальная пластина устанавливается в корпусе устройства только на время измерения частоты вращения ротора гироскопа. В отдельных вариантах расположения вентиляционных отверстий в кожухе и корпусе гироскопических устройств требует применения последовательности нескольких, оптически связанных между собой, зеркальных пластин. Применение в устройстве измерения излучения лазерного диапазона с малой расходимостью луча позволяет использовать вентиляционные каналы устройства с незначительными сечениями.
Использование для измерений различных вентиляционных отверстий в гироскопическом устройстве, в том числе и весьма узких, и излучений лазерного диапазона позволяет избежать металлообрабатывающих доработок ротора гироскопа и расширения габаритов корпуса гироскопического устройства. Использование зеркальных пластин позволяет располагать лазерное и анализирующее оборудование вне корпуса гироскопического устройства на удобном для расположения измерительной аппаратуры расстоянии.
Техническая сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема устройства измерения частоты вращения ротора гироскопа, на фиг. 2 поперечный разрез гироскопического устройства с элементами устройства измерения, на фиг. 3 временная диаграмма работы устройства измерения.
Устройство измерения частоты вращения (фиг. 1) включает в себя ротор 1 гироскопа, генератор-приемник 2 волнового излучения, анализирующее устройство 3, соединенное с источником 4 питания. Между ротором 1 гироскопа и генератор-приемником 2 волнового излучения установлена пластина 5 с зеркальным покрытием, а между анализирующим устройством 3 и выключателем 6 команды измерения установлены два последовательно соединенных реле 7 и 8 времени.
Электропривод гироскопического устройства имеет обращенную конструкцию (фиг. 2), то есть статор 9 располагается внутри, а ротор 1 снаружи электрической машины. Ротор 1 защищен кожухом 10, в котором располагаются вентиляционные отверстия. Привод гироскопического устройства и защитный кожух 10 устанавливаются во внешнем корпусе 11. Для обеспечения вентиляции привода в корпусе 11 также имеются отверстия. Перед проведением измерений или при изготовлении ротора 1 на его поверхности наносится специальный маркер 12.
Статор 9 электропривода гироскопического устройства и его ротор 1 изготавливаются с использованием технологий производства электрических машин переменного и постоянного тока необращенной и обращенной конструкций.
Защитный кожух 10 гироскопического прибора может изготавливаться из металлических отливок с соответствующей металлообработкой.
Корпус 11 может быть выполнен из деталей, выполненных из различных материалов, включая полимерные и металлические.
Пластина 5 с зеркальным покрытием может быть как стеклянной, так и металлической, покрытая зеркальным напылением или амальгамой. Крепление пластины 5 должно обеспечивать ее жесткость положения в пространстве во время измерений. Одним из вариантов креплений может быть тонкий, с возможностью изгибов, металлический прут со скользящими по нему малогабаритными фиксаторами пластины 5 и прута к корпусу гироскопического устройства.
Генератор-приемник 2 волнового излучения может быть выполнен в виде полупроводникового кристалла, который генерирует волны лазерного излучения определенной длины при соответствующем подводе энергии к кристаллу, и в котором возможно выделение энергии отраженного излучения, используемого анализирующим устройством 3. Аналогичные генератор-приемники используются при считывании цифровой информации с оптических компакт-дисков в компьютерных устройствах.
Анализирующее устройство 3 может быть выполнено в виде вычислителя, определяющего продолжительность времени между отраженными импульсами излучения, полученными приемником. Продолжительности отрезков времени между отраженными импульсами, которые отображают частоту вращения ротора, преобразуются в цифровые коды, отображающиеся на индикаторе анализирующего устройства 3. Анализирующее устройство 3 может быть выполнено с использованием микропроцессорных устройств и стандартных интегральных микросхем.
Реле 7 и 8 времени могут быть выполнены с использованием типовых интегральных микросхем.
Выключатель 6 команды измерения представляет собой контактное устройство с коммутируемыми металлическими контактами, которое может иметь ручной или электрический приводом перемещения контактов.
Источник 4 питания может быть выполнен в виде аккумуляторной батареи, которая содержит несколько последовательно соединенных гальванических элементов.
Все перечисленные в предлагаемом устройстве измерения элементы применяются по их прямому назначению и используются для завершенности технического решения.
Работа устройства измерения частоты вращения ротора гироскопа происходит следующим образом.
Предварительно в защитном кожухе 10 гироскопического устройства выбирается вентиляционное отверстие, расположенное около ротора 1 гироскопа. Через вентиляционное отверстие на ротор 1 гироскопа, с помощью кисти или аэрозольного баллона с гибким выводным шлангом, наносится маркер 12, в виде пятна краски, имеющей свойство отражать лазерное излучение. Площадь окрашивания, как правило, не превышает одного-двух квадратных сантиметров. При особо высоких частотах вращения ротора 1 для сохранения его баланса диаметрально первой окрашенной площадке на ротор 1 наносят вторую аналогичную площадку. Маркер 12 может также наноситься на ротор 1 перед сборкой гироскопического устройства.
Напротив выбранного вентиляционного отверстия в кожухе 10 временно располагают малогабаритную пластину 5 с зеркальной поверхностью, которая обеспечивает видимость маркера 12 на роторе 1 при включенном и работающем гироскопическом устройстве. Через вентиляционное отверстие в корпусе 11 гироскопического устройства на зеркальную поверхность пластины 5 под определенным углом направляется излучение генератор-приемника 2. Угол направления выбирается из условия попадания лазерного излучения через вентиляционное отверстия в кожухе 10 на маркер 12. При затруднениях в направлении излучения на маркер 12 применяют последовательность нескольких, оптически связанных между собой, зеркальных пластин.
Для проведения измерения кратковременно включают выключатель 6 команды измерения, при этом включаются реле 7 и 8 времени, анализирующее устройство 3 и генератор-приемник 2. Генератор-приемник 2 формирует волны лазерного диапазона, которые через вентиляционные отверстия в кожухе 10 и корпусе 11 и благодаря зеркальной пластине 5 облучают маркер 12 на роторе 1 гироскопического устройства. Отраженные от маркера 12 сигналы излучения возвращаются через генератор-приемник 2 в анализирующее устройство 3, где вычисляется частота вращения ротора 1 гироскопа. Через определенные промежутки времени реле 7 и 8 времени возвращаются в исходные состояния, и измеритель готов к проведению нового измерения. После проведения измерений пластину 5 с зеркальной поверхностью удаляют из корпуса 11 гироскопического устройства.
Так как генерирование волн лазерного диапазона требует высокой энергонагруженности передающих частей излучателя, то при продолжительном включении генератор-приемника 2 может потребоваться охлаждение передающих частей излучателя.
Также следует отметить, что ресурс работы генератор-приемника 2 ограничен в связи высокой энергонагруженностью передающих частей излучателя. Однако, зачастую ресурс работы генератор-приемника 2 расходуется необоснованно, например в периоды времени разгона или останова ротора 1.
Снижение требований к охлаждению передающих частей излучателя, а также снижение необоснованного расхода ресурса генератор-приемника 2 обеспечивается перерывами в его работе. Для этого частоту вращения ротора 1 гироскопа определяют при кратковременных включениях генератор-приемника 2 и анализирующего устройства 3 лазерного излучения через промежутки времени, в течение которых генератор-приемник 2 выключен. Таким образом, для предотвращения перегрева передающих частей генератор-приемника 2, а также для предотвращения необоснованного расхода ресурса генератор-приемника 2 продолжительность каждого измерения регламентирована, а каждое последующее измерение можно производить только через промежуток времени достаточный для охлаждения генератор-приемника 2. Указанная последовательность работы генератор-приемника 2 реализуется в устройстве измерения с помощью двух реле 7 и 8 времени.
1
выкл
Каждое измерение частоты вращения ротора 1 производится по команде выключателя 6 измерений. Для формирования команды на измерение выключатель 6 в момент времени t (см. фиг. 3) переводится вручную или электроприводом в состояние, когда его выходное напряжение U становится номинальным или иначе, равным «1».
PB1
PB2
2
1
4
1
3
Выключатель 6 изменением напряжения на выходе от «0» до «1» включает первое реле 8 времени, которое изменением своего выходного напряжения U от «0» до «1» включает второе реле 7 времени. Выходное напряжение U второго реле 7 времени, равное «1» запускает в работу анализирующее устройство 3 и генератор-приемник 2. Выключатель 6 в момент времени t может быть уже выключен, однако после своего включения каждое реле 7 и 8 времени будет находиться в состоянии «1» в период времени независимый от состояния выключателя 6. Периоды включенного состояния реле 7 и 8 определяются их настройками: первое реле 8 времени включено на период t-t, а второе реле 7 времени на период t-t.
1
3
3
В течение периода t-t - включенное состояние реле 7 обеспечивает работу анализирующего устройства 3 и генератор-приемника 2. То есть, происходит измерение частоты вращения ротора 1. В момент времен t реле 7 времени переходит в состояние «0», что прекращает работу анализирующего устройства 3 и генератор-приемника 2.
3
4
1
4
3
4
3
4
Последующее включение анализирующего устройства 3 и генератор-приемника 2 может произойти только после возвращения реле 7 времени в состояние «1», которое происходит только при переходе реле 8 времени из состояния «0» в состояние «1». Однако возврат реле 8 времени в состояние «0» происходит позже момента t, а именно в момент t. В период времени t-t любые включения выключателя 6 команды измерения не приводят к изменениям в состояниях реле 8 времени, а, следовательно, и в реле 7 времени. Таким образом, в период времени t-t включений анализирующего устройства 3 и генератор-приемника 2 не происходит. Следовательно, в период t-t происходит остывание полупроводникового кристалла генератор-приемника 2 и отсутствует необоснованный расход ресурса генератор-приемника 2. При соответствующем выборе продолжительности данного периода настройками реле 7 и 8 времени, генератор-приемник 2 не будет перегреваться при любых частотах включений выключателя 6 команды измерения.
Источник 4 питания устройства измерения обеспечивает электрической энергией работу генератор-приемника 2, анализирующего устройства 3, реле 7 и 8 времени и выключателя 6 команды измерения.
Таким образом, применение в устройстве измерения частоты вращения ротора гироскопа излучений лазерного диапазона, с малыми сечениями и расходимостью луча излучения, а также применение устанавливаемых на время измерений малогабаритных зеркальных пластин, позволяет использовать вентиляционные каналы устройства и исключить для проведения измерений различные изменения в деталях ротора, кожуха и корпуса гироскопического устройства.
Использование при измерениях вместо постоянного включения излучателя лазерного диапазона краткосрочные включения анализирующего устройства и излучателя позволяет облегчить режим работы излучателя и уменьшить необоснованный расход его ресурса.