Устройство для измерения нестабильности частоты вращения вала

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) И 1) 01 Р 3/4 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ но соединенныепервый счетчик,дов и блок вычительно, соединен ервая схема И,схема вычитания ко ания, последовае делитель, форм ов, второй счетчи рователь импуль ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Ленинградский институт авиационного приборостроения(56) Авторское свидетельство СССР В 815633, кл. 6 01 Р 3/49, 1981.Авторское свидетельство СССР М 146100, кл. ч 01 Р 3/44, 1962. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕСТАБИЛЬНОСТИ. ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА, содержащее чувствительный элемент, жестко закрепленный на поворотной системе, образованной закрепленной на оси рамкой, компенсирующий преобразователь, связанный с поворотной системой, датчик поло жения, включающий в себя две пары расположенных и неподвижно закрепленных излучателей и фотоприемников в зазорах между которыми помещена заслонка, жестко скрепленная с осью поворотной системы, а также регистрирующий: прибор, о т л и ч а ю - щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности и расширения диапазона измерений в область низких частот, в него введены последовательно соединенные компаратор и ключевое устройство, стабилизированный источник тока, последовательи схема запоминания, а также втораясхема И и генератор стабильных импульсов выход которого соединенс вторыми входами первой и второй схем И, первые входь 1 которых соединены с выходами ключевого устройства, выход второй схемы И соединенвторым входом первого счетчика ипервым входом второго счетчика,второй вход которого соединен свыходом первой схемы И, а первыйвход второй схемь 1 И подключен к входу делителя, выход формирователя импульсов подключен к второму входу схемы запоминания, выход которой соединен с вторым входом схемы вычитания кодов и вторым входом блока вычисления, а выхоц его соединен с регистрирующим прибором, ,при этом выходы фотоприемников подключены к входам компаратора, ста билизированный источник тока подклю чен к второму входу ключевого устройства, выходы которого подключены к компенсирующему преобразователю, при этом компенсирующий преобразователь выполнен в виде неподвижного постоянного магнита внутри рамкиеи обмотки обратной связи, которая расположена на рамке поворотной сис темы;050182ка 22 вычисления, Первый вход схемы22 вычитания кодов соединен с выходом первого счетчика 17. Первыйвход блока вычисления 23 связан свыходом схемы 22 вычитания кодов,а выход - с регистрирующим прибором24,В качестве блока 1 постоянных 12 О 1 ф вхо в рИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения нестабильности частоты вращения вала, например, в аппаратах магнитной записи.Цель изобретения - повышение чувствительности и расширение диапазона измерений в сторону низких частот ращения вала.На фиг.1 представлена конструктивная. и функциональная схема устрой ства; на фиг.2 и 3 - графики, поясняющие работу устройства.Устройство содержит чувствительный элемент, состоящий из блока 1 постоянных магнитов, устанавливаемого на исследуемый вал соосно с цилиндрическим стаканом 2, жестко связанным с поворотной системой, образованной рамкой 3, закрепленной на оси 4. Ось 4 помещена в опоры 5 с возможностью поворота, Датчик положения состоит из излучателей 6, фотоприемников 7 и заслонки 8, которая закреплена на оси и имеет возможность перемещения в зазорах между излучателями 6 и фотоприемниками 7 Компенсирующий преобразователь образован неподвижным постоянным магнитом 9 и обмоткой 10 обратной связи, расположенной на рамке 3. К выходам фотоприемников 7 подключены входы компаратора 11, выход которого соединен с первым входом ключевого устройства 12, Стабилизированный источник 13 тока подключен к второму входу ключевого устройства 12, выходы которого соединены с обмоткой 10 обратной связи, Выходы ключевого устройства 12 подключены к первым входам первой 14 и второй 15 схем И, к вторым входам которых подключен генератор 16 стабильных импульсов. Выход первой схемы И 14 присоединен к первым входам первого 17 и второго 18 счетчиков, Выход второй схемы И 15 подключен к вторым входам первого 17 и второго 18 счетчиков. Первый вход второй схемы И 15 подключен также к входу делителя 19, выход которого соединен с входом формирователя 20 импульсов. Выход последнего соединен с третьим входом второго счетчика 18 и вторымО входом схемы 21 запоминания, первый вход которой соединен с выходом второго счетчика 18,.Выход схемы 21 запоминания соединен с вторыми входами схемы 22 вычитания кодов и бло 5 20 25 30 35 40 5 50 магнитов используют, наприиер,многополюсный постоянный магнит срадиальной намагниченностью, установленный на исследуемом валу. Датчик положения может быть выполнен с применением в качестве излучателей 6 светодиодов АЛ 107 А, а в качестве фотоприемников 7 фототиристора, входящего в состав оптронаАОУ 103 А; Компаратор 11, ключевоеустройство 2 и стабилизированныйисточник 13 тока представляют собойнапример, К 10 УД 8 А, Первая 14 ивторая 15 схемы И выполнены намикросхеме К 155 ЛАЗ. Генератор 16стабильных импульсов собран намикросхеме К 155 ЛАЗ с применениемкварцевого резонатора, Первый 17 ивторой 18 счетчики могут быть выполнены на реверсивных счетчикахК 155 ИЕ 7. Делитель 19 собран намикросхеме К 155 ИЕ 2, а формирователь20 импульсов представляет собойждущий мультивибратор, собран 1 ый намикросхеме К 155 ЛАЗ, Схема запоминания 21 может быть выполнена с применением триггеров К 155 ТМ 5, асхему 22 вычитания кодов можно выполнить на полусумматорах - микросхемах К 155 ИМЗ. В качестве блока 23.вычисления можно использовать ЭВМ,например микро-ЭВМ "Электроника"в качестве регистрирующего прибора24 в светолучевой осциллограф типаН, Повышение чувствительностии расширение диапазона измеренийв сторону низких частот осуществляется путем использования в качествеизмерительного устройства прициэионной магнитоэлектрической поворотнойсистемы, работающей в режиме автоколебаний,При вращении вала с угловой скоростью и, на поворотную систему действует момент где К - коэффициент преобразованиячувствительного элемента, определяемыи конструктивными параметрами.12 О 5 О 18 Мк= "кпср т где З,р - среднее значение тока вобмотке обратной связи;1 кп - коэффициент преобразования компенсирующего преобразователя,При прямоугольных импульсах тока в обмотке обратной связи средний ток можно определить как 15 МЮ Р,т,К кп о кккпо 20 Сравнение выражений (5) и (6 ) показывает, что, выбирая соответствующим образом параметры То иОможно также повысить чувствительность устройства.Повышение чувствительностиустройства, или крутизны характеристики преобразования позволяет расширить диапазон измерения в области30низких частот. Это подтверждаетсядиаграммой, приведенной на фиг.3,где прямая 1 является характеристикой.преобразования предлагаемогоустройства, прямая 2 - характерисЗ 5 тикой преобразования известногоустройства, Мп - минимальная величина регистрируемого момента. Приодной и той же величине Мо измеряемая частота вращения Я, у предла.40 гаемого устройства меньше частотывращения Р у известного устройства.Применение в устройстве компенсирующего преобразователя с неподвижным постоянным магнитом и по 45 движной рамкой позволяет снизитьмомент инерции поворотной системы,что также дает возможность повыситьчувствительность устройства. Использование фотоприемников - фототири 50 сторов и подключение их к входамкомпаратора, имеющего незначительную зону нечувствительности,понижает зону неопределенностисрабатывания фотоэлектрического дат 55 чика положения. Это приводит к повышению чувствительности датчика положения, а следовательно, всегоустройства. кт"2. К 1 вР вР кп о Этот момент уравновешиваетсякомпенсирующим преобразователем,создающим момент(3)огде о - ток стабилизированногоисточника тока; с,и- длительности импульсов пря=мого и обратного тока;7,= ,Ф- период автоколебаний поворотной системы.Поскольку в режиме динамического равновесия Мп = Мк, то из соотношений (1) - (3) следует, что Таким образом, разность длительности выходных импульсов устройства, работающего в режиме автоколебаний, пропорциональна величине мгновенной угловой скорости исследуемого вала, т.е, разность 3,-определяет мгновенную частоту вращения вала.Использование в устройстве режима автоколебаний позволяет существен но повысить чувствительность. Как видно из (1), момент, создаваемый в магнитоиндукционном чувствительном элементе, пропорционален угловой скорости перемещения блока постоянных магнитов относительно цилиндрического стакана. Поскольку цилиндрический стакан закреплен на поворотной системе, он совершает вместе ,с ней колебательное движение с частотой ы , а блок постоянных магнитов, закрепленный на исследуемом валу, движется с частотой дв Таким образом, значительно возрастает относительная скорость движения указанных элементов, что и приводит к увеличению величины взаимодействия между ними и соответствующему увеличению чувствительности,Кроме того, в известных устройствах коэффициент в соотношении (1) определяется как2(ВЬВ)РК(5) где 3 - диаметр цилиндрическогостакана;Ь - активная длина стакана;8 - величина магнитной индукции;Г - число магнитов в блоке постоянных магнитов;иК- СОПРОТИВЛЕНИЕ КОРОтКОЗаМКНУтого витка вихревых токов,В предлагаемом устройстве коэффициент преобразования согласно соотношению (4) определяется какВ системе, работающей в режиме автоколебаний, отсутствует стати,ческая погрешность и значительно снижается влияние вредных моментов трения в опорах поворотной системы, что повышает точность измерения. Кроме того, наличие импульсного выходного сигнала повышает помехозащищенность системы и .позволяет легко стыковать его с вычислительными устройствами различного уровня.Поскольку неравномерность частоты вращения вала определяется как 0 ср сР ссср еГде сд и у - текущее и среднее знавР срчения частоты вращения,то для определения величины И необхо 20димо иметь информацию о средней скорости вращения вала.В устройстве для этой цели введены делитель, формирователь импульсов, второй счетчик и схема запоминания, которые осуществляют осредне"ние мгновенной частоты вращения.Причем так как выходной сигнал вустройстве имеет форму широтно 30,модулированных прямоугольных импульсов, то обработка информации осуществляется в цифровом виде, чтопозволяет в широком диапазоневарьировать время осреднения изыбирать его достаточно большим, т.е.з 5расширить диапазон измерения всторону низких частот.Устройство работает следующимобразом.Блок постоянных магнитов 1 уста 40навливается на исследуемый ван ипомещается соосно в цилиндрическийстакан 2.В исходном положении заслонка8 перекрывает поток излучения одного изизлучателей 6. При этом второй излучатель открыт, в результате чегона выходе фотоприемника 7 появляется выходной сигнал, который подаетсяна вход компаратора 11 и переключает его, Выходное напряжение компаратора 11 управляет ключевым устрой-ством 12, которое подключает стабилизированный источник 13 тока к обомотке 10 обратной связи. Магнитноетокополе тока, протекающего в обмотке 10 обратной связи, взаимодействуяс полем неподвижного постоянногомагнита 9, поворачивает рамку 3 и,следовательно, заслонку 8 так, чтоона перекрывает поток изучения одного излучателя 6 и открывает потокизлучения другого излучателя 6, Навыходе соответствующего фотоприемника 7 появляется сигнал, которыйпереключает компаратор 11 в другоеустойчивое состояние. При этом ключевое устройство 12 подключаетстабилизированный источник 13 токак обмотке 10 обратной связи так,что по ней течет ток противоположного направления. В результатеэтого рамка 3 также изменяет направление вращения на противоположное.Далее процесс переключения повторяется, и, следовательно, поворотнаясистема с закрепленным на оси 4 цилиндрическим стаканам 2 совершает,автоколебания, Применение ключевого устройства 12 и стабилизированного источника 13 тока позволясет формировать в обмотке 10 обратной связи прямоугольные импульсытока, при наличии которых обеспечивается постоянство мощности, выделяемой в.обмотке 10 обратной связи,Тем самым обеспечивается режимавтоколебаний системы с постояннойамплитудой и частотой. При этомна выходе ключевого устройства 12имеет место последовательность импульсов. Поскольку в исходномсостоянии блок 1 постоянных магнитовнеподвижен, то Мщ= 0 и согласпо формуле 14) длительности импульсовь и с равны фиг.2 б 1.Поворотная сисгтема имеет автоколебания со скважностью равной 2,При равномерном вращении валана поворотную систему действует постоянный крутящий момент, которыйсогласно Формуле 4) вызывает изменение скважности импульсов (Фиг.2 б)причем величина И, пропорциональ,.Рная разности ь 1 - с г . В случае неравномерного в ращения вала глубинамодуляции меняется пропорциональномгновенной частоте вращения ; Импульсы с выхода ключевого устройства 12 поступают на первые входы первой 14 и второй 15 схем И на вторые входы которых поступают высокочастотные импульсы заполнения с генератора 16 стабильных импульсов. На выходах первой 14 и второй 15 схем И образуются пачки высокочастотных импульсов с коли 120501810 15 20 25 30 35 40 45 50 55 чеством импульсов в каждой пачке, пропорциональным длительности импульсов с выходов ключевого устройства 12 (фиг.2 в). Далее пачки высокочастотных импульсов поступают на первый счетчик 17, который производит вычитание числа импульсов одной пачки из другой; т.е. осуществляет определение величины с, На выходе первого счетчика 17 с при,ходом каждой пары 6, и ь, импульсов формируется цифровой код, несущий информацию о мгновенной частоте вращения вала. С выходов первой 14 и второй 15 схем И пачки высоко частотных импульсов поступают на второй счетчик 18, который осуществляет суммирование разностей(Г - 1 Обнуление счетчика 18 осуществляется импульсами, поступающими с формирователя 20 импульсов, который вырабатывает импульс обнуления при окончании действия строба-. Строб вырабатывается делителем 19, при этом длительность строба равна Т 0.гЪ- + о , 1 = 1,2,3, поскольку делитель имеет коэффициент деления 10. После прихода 10-го импульса на делитель 19, он производит формирование заднего фронта строба, которым запускается формирователь 20 импульсов. Таким образом, формирование кода на выходе второго счет чика 18 происходит через 10 импульи сов, т.е. второй счетчик 18 производит накопление 10 разностей(С, - Гпачек высокочастотных импульсов, А поскольку частота вращения вала нестабильна, то каждая. разность ( , - ) имеет различное число высокочастотных импульсов фиг.2 г . С выхода второго счетчика 18 просуммированные 1 О пачек импульсовив цифровом коде поступают на схему 21 запоминания. При этом второй счетчик 18 подсоединен к схеме запоминания 21 таким образом, что Н младших .десятичных разрядов не подключены. В результате чего при записи кода в схему 21 запоминания код делится на число 10 . ЗаписьИкода в схему 21 запоминания производится по переднему фронту импульса, поступающего с формирователя 20 импульсов.Таким образом, за время действия строуба делителя происходит накопление импульсов 10" разностей пачек и деление этого числа импульсов на число О " пачек, т.е. осреднениеразности пачек с, и .,Количество импульсов в среднейразности пачекк,+к кНР 0где 6 11, К - число импульсов пачек,На выходе схемы 2 запоминанияпоявляется записанное в коде числоимпульсов, соответствующее среднейразности пачек 3, - , т.е. пропорциональное средней частоте вращения.На первый вход схемы 22 вычитаниякодов поступает код, несущий информацию о мгновенной частоте вращения, а на второй вход - код, несущий информацию о средней частотевращения. Схема 22 вычитания кодовпроизводит вычитание поступающихкодов, в результате чего на ее выходе получается цифровой код, несущий информацию об отключении мгновенной частоты вращения от ее среднего значения. Приведенная вышеобработка сигналов не может бытьвыполнена блоком вычисления из-заего ограниченного быстродействия.Цифровой код поступает на первыйвход блока 23 вычисления, на второйвход которого поступает код, несущийинформацию о средней частоте вращениявала. Блок 23 вычисления производитвычисления сигнала нестабильности частоты вращения вала и определенияего гармонических составляющих.Результаты вычисления регистрируются на многоканальном регистрирующем приборе 24. На нем же фиксируетсязначение средней частоты вращения,поступающее с блока 23 вычисления.Определенное выполнение поворотной системы обусловливает получениеинформации о мгновенной частоте вращения в виде широтномодулированногосигнала, цифровой обработки сигналаи введение новых блоков. Введениесхем И и первого счетчика вызванонеобходимостью обработки информацииширотно-модулированного сигнала.Для создания автоколебательного режима поворотной системы с постоянной амплитудой и частотой введеныкомпаратор, ключевое устройство истабилизированный источник тока.Введение второго счетчика, делителя19, формирователя импульсов и схемызапоминания позволяет сформироватькоднесущий информацию о среднейчастоте вращения, 1205018