Виброметр

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к области измерения колебаний объектов, газообразной или жидкой среды.
Известен виброметр, содержащий два вибродатчика и два резистора, включенные по мостовой схеме, а также измерительный прибор и генератор несущей частоты, включенные в диагонали мостовой схемы [1]. В виброметре при внешних воздействиях, например, температурных полей, а также при уходе параметров элементов во время эксплуатации возникает разбаланс моста, уменьшающий динамический диапазон и приводящий к искажениям принимаемых сигналов.
Недостатком виброметра является то, что он не обеспечивает требуемой точности измерений механических колебаний.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототипом) является устройство для преобразования механических колебаний в электрический сигнал, содержащее генератор, соединенный с подвижной и неподвижными пластинами емкостного дифференциального датчика, подключенными к четырем детектирующим диодам, связанным с двумя пассивными фильтрами нижних частот, причем выходы последних подключены к последовательно соединенным дифференциальному усилителю, активному фильтру нижних частот, преобразователю импульсов и вторичному преобразователю с аналоговым выходом [2]. В устройстве при внешних воздействиях, например, температурных полей, а также при уходе параметров элементов во время эксплуатации возникает разбаланс моста, уменьшающий динамический диапазон и приводящий к искажениям принимаемых сигналов.
Недостатком устройства является малая точность измерений механических колебаний.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявленной полезной моделью, является повышение точности измерения механических колебаний.
Технический результат достигается тем, что виброметр, содержащий подвижную и неподвижные пластины дифференциального емкостного датчика, усилитель, демодулятор, генератор, подключенный к дифференциальному емкостному датчику и демодулятору, а также аналоговый выход виброметра и фильтр нижних частот, дополнительно содержит последовательно соединенные первый компаратор с инверсным входом, первую схему И, первый таймер и вход управления первого ключа, последовательно соединенные второй компаратор, вторую схему И, второй таймер и вход управления второго ключа, а также первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы, третий ключ, четвертый ключ, микродвигатель с приводом, механически связанный с дифференциальным емкостным датчиком, включенный между выходами первого и четвертого ключей, последовательно соединенные усилитель постоянного тока (УПТ), блок оптопар и вход управления регулируемого стабилизатора напряжения, причем усилитель подключен входом к дифференциальному емкостному датчику, а выходом подключен ко второму входу демодулятора, выход демодулятора подключен к аналоговому выходу виброметра, фильтр нижних частот подключен входом к демодулятору, а выходом подключен ко входу УПТ, к инверсному входу первого компаратора и ко входу второго компаратора, выходы первого и второго таймеров подключены к инверсным вторым входам, соответственно, второй и первой схем И, входы управления третьего и четвертого ключей подключены к выходам, соответственно, первого и второго таймеров, входы первого и четвертого ключей подключены к выходу регулируемого стабилизатора напряжения, вход последнего подключен к плюсу источника питания, входы второго и третьего ключей подключены к минусу источника питания, выход третьего ключа соединен с выходом четвертого ключа, выход второго ключа соединен с выходом первого ключа, первый и шестой входы подключены к управляющим входам, соответственно, первого и второго компараторов, второй и пятый входы подключены к управляющим входам, соответственно, первого и второго таймеров, третий и четвертый входы подключены к управляющим входам, соответственно, первого и второго ключей, первый и второй компараторы выполнены с управлением по порогам срабатывания, первый и второй таймеры выполнены с управлением по длительности выходного сигнала, а фильтр нижних частот выполнен в виде фильтра постоянной составляющей.
Такое выполнение виброметра обеспечивает повышение точности измерения механических колебаний.
На чертеже представлена схема виброметра, обеспечивающего требуемый технический результат.
Принятые обозначения:
1 – подвижная пластина; 2 – неподвижные пластины; 3 – дифференциальный емкостный датчик; 4 – усилитель; 5 – демодулятор; 6 – генератор; 7 – аналоговый выход виброметра; 8 – фильтр нижних частот; 9 – первый компаратор; 10 – первая схема И; 11 – первый таймер; 12 – первый ключ; 13 – второй компаратор; 14 – вторая схема И; 15 – второй таймер; 16 – второй ключ; 17 – первый вход; 18 – второй вход; 19 – третий вход; 20 – четвертый вход; 21 – пятый вход; 22 – шестой вход; 23 – третий ключ; 24 – четвертый ключ; 25 – микродвигатель, 26 – усилитель постоянного тока (УПТ); 27 – блок оптопар; 28 – регулируемый стабилизатор напряжения.
Виброметр, представленный на чертеже, содержит подвижную и неподвижные пластины 1, 2 дифференциального емкостного датчика 3, усилитель 4, демодулятор 5, генератор 6, подключенный к емкостному датчику 3 и демодулятору 5, а также аналоговый выход 7 виброметра и фильтр 8 нижних частот, дополнительно содержит последовательно соединенные первый компаратор 9 с инверсным входом, первую схему И 10, первый таймер 11 и вход управления первого ключа 12, последовательно соединенные второй компаратор 13, вторую схему И 14, второй таймер 15 и вход управления второго ключа 16, а также первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы 17, 18, 19, 20, 21, 22, третий ключ 23, четвертый ключ 24, микродвигатель 25 с приводом, механически связанный с дифференциальным емкостным датчиком 3, включенный между выходами первого и четвертого ключей 12, 24, последовательно соединенные усилитель постоянного тока (УПТ) 26, блок 27 оптопар и вход управления регулируемого стабилизатора 28 напряжения, причем усилитель 4 подключен входом к дифференциальному емкостному датчику 3, а выходом подключен ко второму входу демодулятора 5, выход демодулятора 5 подключен к аналоговому выходу 7 виброметра, фильтр 8 нижних частот подключен входом к демодулятору 5, а выходом подключен ко входу УПТ 26, к инверсному входу первого компаратора 9 и ко входу второго компаратора 13, выходы первого и второго таймеров 11, 15 подключены к инверсным вторым входам, соответственно, второй и первой схем И 14, 10, входы управления третьего и четвертого ключей 23, 24 подключены к выходам, соответственно, первого и второго таймеров 11, 15, входы первого и четвертого ключей 12, 24 подключены к выходу регулируемого стабилизатора 28 напряжения, вход последнего подключен к плюсу источника питания, входы второго и третьего ключей 16, 23 подключены к минусу источника питания, выход третьего ключа 23 соединен с выходом четвертого ключа 24, выход второго ключа 16 соединен с выходом первого ключа 12, первый и шестой входы 17, 22 подключены к управляющим входам, соответственно, первого и второго компараторов 9, 13, второй и пятый входы 18, 21 подключены к управляющим входам, соответственно, первого и второго таймеров 11, 15, третий и четвертый входы 19, 20 подключены к управляющим входам, соответственно, первого и второго ключей 12, 16, первый и второй компараторы 9, 13 выполнены с управлением по порогам срабатывания, первый и второй таймеры 11, 15 выполнены с управлением по длительности выходного сигнала, а фильтр 8 нижних частот выполнен в виде фильтра постоянной составляющей.
Виброметр, представленный на чертеже, работает следующим образом.
Подвижная пластина 1 дифференциального емкостного датчика 3 находится в механическом контакте с объектом измерений так, что колебания объекта измерений приводят к смещению подвижной пластины 1 относительно неподвижных пластин 2 дифференциального емкостного датчика 3. Смещение подвижной пластины 1 относительно нейтрального положения приводит к изменению амплитуды электрического сигнала на выходе дифференциального емкостного датчика 3, на который электрический сигнал поступает от генератора 6. С выхода дифференциального емкостного датчика 3 сигнал поступает на усилитель 4 и, далее, на демодулятор 5, на который также подается опорный сигнал от генератора 6, благодаря чему на выходе демодулятора 5, подключенном к аналоговому выходу 7 виброметра, формируется аналоговый сигнал, амплитуда и знак которого зависят от смещения подвижной пластины 1. С выхода демодулятора 5 аналоговый сигнал поступает на фильтр 8 постоянной составляющей сигнала демодулятора 5 , которая, в зависимости от разбаланса дифференциального емкостного датчика 3, может принимать положительные или отрицательные значения. При отсутствии сигналов (или сигналов менее пороговых значений, заданных в первом или втором компараторах 9, 13) первый и второй таймеры 11, 15 выключены, а нулевые сигналы на их выходах и на инверсных входах первой и второй схем И 10, 14 разрешают прохождение сигналов от первого и второго компараторов 9, 13 к первому и второму таймерам 11, 15. При появлении отрицательного сигнала разбаланса дифференциального емкостного датчика 3 более порогового значения на выходе первого компаратора 9 появляется сигнал, запускающий первый таймер 11 через первую схему И 10. Выходной сигнал первого таймера 11 поступает на входы управления первого и третьего ключей 12, 23, подающих питание на микродвигатель 25 с полярностью, которая обеспечивает перемещение дифференциального емкостного датчика 3 с неподвижными пластинами 2, уменьшающее отрицательный сигнал разбаланса дифференциального емкостного датчика 3. Одновременно выходной сигнал первого таймера 11 запрещает прохождение сигнала через вторую схему И 14 до окончания работы микродвигателя 25 с приводом и перемещения дифференциального емкостного датчика 3. При появлении положительного сигнала разбаланса дифференциального емкостного датчика 3 более порогового значения на выходе второго компаратора 13 появляется сигнал, запускающий второй таймер 15 через вторую схему И 14. Выходной сигнал второго таймера 15 поступает на входы управления второго и четвертого ключей 16, 24, подающих питание на микродвигатель 25 с полярностью, которая обеспечивает перемещение дифференциального емкостного датчика 3 с неподвижными пластинами 2, уменьшающее положительный сигнал разбаланса дифференциального емкостного датчика 3. Одновременно выходной сигнал второго таймера 15 запрещает прохождение сигнала через первую схему И 10 до окончания работы микродвигателя 25 с приводом и перемещения дифференциального емкостного датчика 3. Для уменьшения скорости в конце перемещения дифференциального емкостного датчика 3 и более точного восстановления баланса сигнал разбаланса с выхода фильтра 8 постоянной составляющей сигнала демодулятора 5 через усилитель постоянного тока (УПТ) 26 и блок 27 оптопар поступает на вход регулируемого стабилизатора 28 напряжения и плавно снижает напряжение питания и обороты микродвигателя 25 вплоть до полной остановки по мере уменьшения разбаланса. Блок 27 оптопар включает две встречно – параллельно соединенных оптопары с общей нагрузкой, обеспечивающих однополярный сигнал на нагрузке независимо от полярности сигнала разбаланса. Подачей сигналов с первого и шестого входов 17, 22 на управляющие входы первого и второго компараторов 9, 13 устанавливаются пороги срабатывания компараторов. Длительность выходного сигнала первого и второго таймеров 11, 15 и работы микродвигателя 25 устанавливаются в соответствии с порогами срабатывания первого и второго компараторов 9, 13 и регулируется подачей сигналов со второго и пятого входов 18, 21 на управляющие входы первого и второго таймеров 11, 15. Предусмотрена, при необходимости, ручная установка баланса дифференциального емкостного датчика 3 подачей сигналов на третий или четвертый входы 19, 20.
Таким образом, достигается заявленный результат и предлагаемый виброметр обеспечивает повышение точности измерения механических колебаний.
Источники информации
Принципиальные схемы виброметра с применением параметрического вибродатчмка, Энциклопедия по машиностроению XXL, оборудование, материаловедение, механика. Схема виброметра, рис. 2 – 17, стр. 69, 2006.
http://mash-xxl.info/page/179249222157139144254229203239032128149058023111/
Вихревой расходомер, емкостный дифференциальный датчик и способ преобразования механичеких колебаний в электрический сигнал (патент РФ № 2279639 С2, G01F 1/32, G01L 9/12, 2004 г., опубл. 10.07.2006 г.).
http://www.freepatent.ru/images/patents/189/2279639/patent-2279639.pdf.