ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЛИНЫ И СКОРОСТИ ВЫТРАВЛЕННОГО КАНАТА

Полезная модель относится к области контроля длины и скорости длинномерного материала намотанного на барабан. В частности, это необходимо для контроля длины вытравленного каната или кабеля, намотанного на барабане лебедки, и для контроля его скорости вытравливания или выбирания.
В настоящее время существует несколько принципов измерения длины и скорости длинномерного материала, например, длина определяется при помощи мерного ролика, по которому обкатывается контролируемый материал. Другой метод основан на считывании меток, нанесенных на контролируемый материал через фиксируемый интервал. Измерение скорости - это не что иное, как вычисление первой производной по времени от изменения длины вытравленного материала.
Известно электронное устройство измерения длины троса и способ определения положения первого конца троса по патенту WO 2009087204, (51) G01B 7/00, G01D 5/14 (43) 16.07.2009, включающее в себя контроллер, измерительное устройство, устройство записи изображения, закрепленное на свободном конце троса, на защитной оболочке которого через фиксированное расстояние нанесены ферромагнитные метки, и считывающее устройство, выполненное в виде катушек индуктивности, подключенных к измерительному устройству.
К недостаткам известного электронного устройства измерения длины троса и способа определения положения первого конца троса относятся:
- необходимость создания на контролируемом материале, в данном случае на тросе, специальных меток, что не всегда возможно;
- погрешность измерения длины вытравленного конца троса при изменении расстояния между метками в случае растягивания или сжатия троса;
- использование в устройстве энергонезависимой памяти, которая имеет ограниченное число перезаписей. Энергонезависимая память необходима для записи информации о количестве считанных меток в момент считывания очередной метки, так как при пропадании питания будет потеряна контролируемая информация;
- искажение информации, которое имеет место при изменении длины кабеля во время пропадании питания, когда метки не считываются и информация о длине кабеля не записывается.
Известен измеритель длины движущихся материалов по патенту РФ №2313064, (51) G01B 7/04, (45) 20.12.2007, содержащий привод механизма подачи и перемещения материала, мерный приводной транспортер и неприводной транспортер. Мерный приводной транспортер, осуществляющий перемещение материала, включает эластичную замкнутую ленту, приводной валик, неприводной валик, связанный с первичным преобразователем линейных перемещений, включающий обтюраторный диск и оптронный датчик длины движущегося материала. Обтюраторный диск первичного преобразователя линейных перемещений размещен на оси неприводного валика. Предлагаемый измеритель длины движущихся материалов снабжен циклически действующей системой динамической коррекции результатов измерения, которая включает специальную метку, укрепленную на эластичной ленте приводного транспортера, и неподвижно установленный относительно эластичной ленты оптронный датчик положения метки, фиксирующий число циклов ее поворота.
К недостаткам указанного измерителя длины движущихся материалов относятся:
- сложность конструкции, которая ограничивает использование предлагаемого устройства;
- использование в нем энергонезависимой памяти, назначение которой и недостатки при использовании указаны в предыдущем аналоге;
- искажение информации, которое имеет место при изменении длины материала во время пропадания питания, когда информация о длине материала не считывается и не записывается.
Наиболее близким устройством, по совокупности признаков, является (54) «Лебедка для выпускания части размотанного троса заданной длины» по международной заявке (10) WO 2012/084685 A1, (51) G01B 7/02, G01B 7/04, B66D 1/46, B66D 3/18, F21V 21/38, (43) 28.06.2012, которая принята за прототип. Данное устройство включает в себя:
- кабельный барабан, предназначенный для наматывания и разматывания троса;
- кабель-трос, один конец которого прикреплен к кабельному барабану, а другой конец свободный, на котором закреплено исполнительное устройство;
- рама, на которой установлен кабельный барабан;
- измерительные устройства (магнитный датчик, измерительный контроллер и устройство измерения длины) располагаются на раме и обеспечивают формирование сигналов, пропорциональных длине размотанной части троса;
- устройство обработки данных (микропроцессор) предназначено для контроля наматывания и разматывания кабель-троса по сигналам, поступающим от измерительных устройств, по которым формируется информация о длине вытравленного троса;
- магнитная метка исходного положения троса (нулевое значение длины вытравленного троса);
- электромотор, предназначенный для вращения барабана. Работает лебедка следующим образом. Вращение барабана 140, на котором намотан кабель-трос 120, осуществляется электромотором 170 по сигналам управления от микропроцессора 160, на входы которого, в свою очередь, поступают сигналы с выхода измерительного контроллера 150. На измерительный контроллер 150 поступает сигнал от магнитного датчика 130, который фиксирует исходное (нулевое) состояние троса, и сигнал от устройства измерения длины 155, контролирующий угол поворота барабана 140. Длина вытравленного троса определяется по углу поворота барабана относительно исходного состояния и радиусу намотки троса на барабан.
К недостаткам известного технического решения, принятого за прототип, можно отнести:
- погрешность измерения длины вытравленного троса при многорядной и многослойной намотке троса на барабан;
- использование в лебедке однооборотного датчика угла поворота барабана, который требует включения в состав устройства энергонезависимой памяти, необходимой для записи информации о количестве оборотов барабана и имеющей ограниченное число перезаписей;
- искажение информации, которое имеет место при изменении длины вытравленного троса, во время пропадания питания, когда информация о длине вытравленного троса не фиксируется.
Задачей настоящей полезной модели является повышение точности измерения длины вытравленного каната и скорости вытравливания или выбирания каната.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности контроля длины вытравленного каната и скорости его вытравливания или выбирания.
Указанный технический результат достигается тем, что в измеритель длины и скорости вытравленного каната, содержащий барабан, на котором намотан канат и блок обработки информации, дополнительно введены преобразователь линейных перемещений и многооборотный абсолютный преобразователь угловых перемещений. Корпус преобразователя линейных перемещений установлен так, что расстояние межу ним и осью вращения барабана всегда постоянно, а его чувствительный элемент соединен с канатом в месте его вытравливания с барабана или выбирания. Входной вал многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений механически соединен с осью барабана. Выход преобразователя линейных перемещений и выход многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений соединены с входами блока обработки информации. Блок обработки информации в соответствии с выходными сигналами преобразователей формирует значение длины вытравленного каната и скорости его вытравливания или выбирания.
Между существенными отличительными признаками и вышеизложенным техническим результатом существует причинно-следственная связь:
1. В измеритель длины и скорости вытравленного каната дополнительно введен многооборотный абсолютный преобразователь угловых перемещений, в котором постоянно фиксируется угловое положение входного вала, механически соединенного с осью барабана, что обеспечивает контроль углового положения барабана даже при выключенном напряжении питания. Это, в свою очередь, позволяет повысить точность измерения длины вытравленного конца каната, исключая сбои даже при кратковременном отключении питания.
2. Введен преобразователь линейных перемещений, позволяющий повысить точность измерения длины вытравленного конца каната благодаря измерению, а не вычислению текущего радиуса намотки каната, и позволяющий фиксировать начало и конец перехода с одного слоя на другой при выбирании или травлении каната на барабане.
3. Преобразователь линейных перемещений установлен так, что расстояние между ним и осью вращения барабана всегда постоянно, а его чувствительный элемент соединен с канатом в месте его вытравливания или выбирания с барабана, что позволяет с высокой точностью измерить радиус намотки каната на барабан.
4. Выход преобразователя линейных перемещений и выход многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений соединены с соответствующими входами блока обработки информации, благодаря чему блоком обработки информации формируется информация о длине и скорости вытравленного каната.
Следовательно, совокупность выше перечисленных существенных отличительных признаков обеспечивает получение заявленного технического результата.
Схема измерителя длины и скорости вытравленного каната изображена на фиг.1. На фиг.2 - схематично изображено расположение барабана с намотанным канатом и преобразователя линейных перемещений относительно друг друга, поясняющее принцип обработки информации.
Заявляемый измеритель длины и скорости вытравленного каната, представленный на фиг.1, включает в себя: барабан 1, на котором намотан канат 2, преобразователь линейных перемещений 3 (например, абсолютный линейный фотоэлектрический датчик положения ЛИР-ДА7, выпускаемый специальным конструкторским бюро измерительных систем), чувствительный элемент которого контролирует расстояние до вытравливаемой или выбираемой части каната, многооборотный абсолютный преобразователь угловых перемещений 4 (например, абсолютный многооборотный датчик углового положения АС36 по каталогу продукции специального конструкторского бюро измерительных систем) и блок обработки информации 5. Корпус преобразователя линейных перемещений 3 установлен так (см. фиг.2), что расстояние «А» межу ним и осью вращения барабана 1 всегда постоянно, а чувствительным элементом преобразователя линейных перемещений 3 контролируется расстояние «В» до каната в месте его вытравливания с барабана. Входной вал многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений 4 соединен механически с валом барабана 1. Выход преобразователя линейных перемещений 3 и выход многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений 4 соединены с соответствующими входами блока обработки информации 5. Блок обработки информации 5 по выходным сигналам преобразователей формирует значение длины вытравленного каната и скорости его вытравливания или выбирания.
Использование в измерителе длины и скорости вытравленного каната многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений и преобразователя линейных перемещений, благодаря которому контролируется текущий радиус намотки на барабан вытравленного каната, позволяет повысить точность измерения длины и скорости вытравленного каната.
Измеритель длины и скорости вытравленного каната работает следующим образом. В исходном состоянии канат намотан на барабане 1, а значение длины вытравленного каната в блоке обработки информации 5 обнулено. Текущее значение радиуса намотки каната на барабан 1 определяется по формуле:
А - расстояние межу контрольной точкой преобразователя линейных перемещений 3 и осью вращения барабана 1, значение которого для конкретной конструкции фиксировано (см. фиг.2).
В - расстояние между контрольной точкой преобразователя линейных перемещений 3 и осью каната в точке вытравливания с барабана или выбирания (см. фиг.2).
Длина полностью вытравленного каната определяется по формуле:
i
r - радиус намотки каната i-того участка приращения.
i
Δφ - интервал приращения угла поворота барабана 1 (величина Δφ задается в радианах в зависимости от заданной погрешности измерения длины вытравленного каната), по истечении которого осуществляется измерение радиуса r намотанного на барабан 1 каната;
max
- количество измеренных интервалов Δφ приращения при полностью вытравленном канате (φ=φ);
i - индекс участка приращения;
i
r - радиус намотки каната i-того участка приращения.
Текущая длина вытравленного каната определяется по формуле:
i
- количество вытравленных интервалов приращения Δφ при угле поворота φ=φ;
i - индекс участка приращения, причем при увеличении угла (при вытравливание каната Δφ - положительное) индекс увеличивается, а при уменьшении угла (при выбирании каната Δφ - отрицательное) индекс уменьшается.
Скорость вытравливания или выбирания каната определяется по формуле:
Δt - интервал времени, за который вытравливается канат на длину ΔL=Δφ·r(φ), при этом значения Δφ при контроле длины или скорости вытравленного каната могут быть различными.
При измерении скорости возможны два варианта:
а) за фиксированный интервал времени Δt, измеряется ΔL и вычисляется их отношение (см. формулу 3);
б) за фиксированное приращение ΔL вытравленного или выбранного каната измеряется временной интервал Δt и вычисляется их отношение (см. формулу 3).
Так как скорость - это производная изменения длины от времени, то при измерении скорости необходимо, чтобы интервал Δt стремился к нулю. В реальных системах ΔL и Δt бесконечно уменьшать нельзя из-за наличия погрешности измерения. Поэтому при измерении больших скоростей травления или выбирания каната целесообразно использовать первый вариант измерения, а при измерении малых скоростей - второй вариант.
Как правило, намотка каната на барабан осуществляется слоями, при этом радиус намотки в каждом слое можно считать постоянным. При переходе с одного слоя на другой, с большой вероятностью, можно предположить, что радиус намотки r(φ) изменяется по линейному закону при повороте барабана 1 на угол 360°. Используя указанные условия, обработка информации с преобразователей 3 и 4 для измерения длины и скорости вытравленного каната значительно упрощается. Для этого необходимо произвести тарировку переходных точек, по которым в зависимости от угла поворота барабана 1 определяется длина и скорость вытравленного каната. В процессе работы тарировку переходных точек возможно корректировать. Переходными точками или точками перегиба характеристики длины вытравленного каната от угла поворота барабана, являются точки при переходе намотки каната с одного слоя на другой. Эти точки определяются при помощи преобразователя линейных перемещений 3 в момент, когда его выходной сигнал начинает изменяться. Между переходными точками имеются два вида участков: один вид, когда травление или выбирание каната осуществляется из одного слоя, а другой вид участка, когда канат вытравливается или выбирается при переходе с одного слоя на другой. Длина каната на участке первого вида определяется по формуле:
k
L - длина вытравленного каната k-ого участка первого вида;
k
r - радиус k-ого слоя намотки каната на барабан;
t
φ - значение текущего угла барабана;
k
φ - значение начального угла k-ого участка первого вида.
Длина каната на участке второго вида определяется по формуле:
k′
L - длина вытравленного каната k-ого участка второго вида;
k
k+1
d=(r-r) - разность радиусов намотки канатов соседних слоев, которую определяют при тарировке или приближенно можно принять равной диаметру каната.
Использование преобразователя линейных перемещений 3 и многооборотного абсолютного преобразователя угловых перемещений 4 позволяет повысить точность контроля длины вытравленного каната и скорости его вытравливания или выбирания.
Анализ аналогичных технических решений показал, что использование предлагаемого измерителя длины и скорости вытравленного каната обеспечивает по сравнению с известными устройствами следующие преимущества:
- позволяет повысить точность измерения длины и скорости вытравленного каната, особенно при контроле на малых скоростях;
- позволяет упростить обработку сигналов при использовании тарировки переходных точек.