Устройство контроля скорости

 

УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СКОРОСТИ, содержащее приемно-излучающий датчик, генератор, аттенюатор, первую, вторую и третью кабельные линии связи, усилитель, первый выход генератора через первую кабельную линию связи подключен к входу приемно-излучающего датчика, второй выход генератора подключен ко входу аттенюатора, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и упрощения устройства, в него введены частотный детектор, первый и второй ключи, ячейка аналоговой памяти, дифференциальный усилитель, компаратор , задатчик скорости, генератор тактовых импульсов, формирователь команды управления, к входу частотного детектора подключены выход усилителя и через третью кабельную линию связи выход аттенюатора, выход , частотного детектора подключен к сигнальным входам первого и второго ключей, с управляющими входами которых соединены соответственно первый и второй выходы генератора тактовых импульсов, третий и четвертый выходы которого подключены соответстi венно к первому входу формировате- , ля команды управления и ко входу генератора, выход второго ключа соединен с первым входом ячейки аналоговой памяти, выход которой подключен к первому входу дифференциального усилителя, .с вторым входом которого I соединен выход первого ключа, вы- j ход дифференциального усилителя подключен к первому входу компаратора с вторым входом которого соединен выход задатчика скорости, выход компаратора подключен к второму входу со формирователя команд управления, выо ход приемно-излучающего датчика через вторую кабельную линию связи соединен с первым входом усилителя, первый выход генератора тактовых импульсов подключен к вторым входам усилителя и ячейки аналоговой памяти.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

119) (11) А ш б 08 C 25/00

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3624818/18-24 (22) 19.04.83 (46) 30.08.84. Бюл.N- 32 (72) В.И.Псавко, В.В.Храмцов, Ю.П.Дорошев, E.Ñ.Ëàçóðåíêî и В.И.Литовченко (71) Проектно-конструкторский и технологический институт кузнечнопрессового роботостроения (53) 621.398(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

)1 59 1770, кл. g 01 P 3/48, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР

1654907, кл. (j 01 P 3/48, 1977.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке -3416206/18-24, 1982 (прототип).

4, Слуцкий В.З., Фогельсон Б.И.

Импульсная техника и основы радиолокации. И., Воениздат, 1 .инистерство обороны СССР, 1975, с.417. (54) (57) УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СКОРОСТИ, содержащее приемно-излучающий датчик, генератор, аттенюатор, первую, вторую и третью кабельные пинии связи, усилитель, первый выход генератора через первую кабельную линию связи подключен к входу приемно-излучающего датчика, второй выход генератора подключен ко. входу аттенюатора, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и упрощения устройства, в него введены частотный детектор, первый и второй ключи, ячейка аналоговой памяти, дифференциальный усилитель, компаратор, задатчик скорости, генератор тактовых импульсов, формирователь команды управления, к входу частотного детектора подключены выход усилителя и через третью кабельную линию связи выход аттенюатора, выход частотного детектора подключен к сигнальным входам первого и второго ключей, с управляющими входами которых соединены соответственно первый и второй выходы генератора тактовых импульсов, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к первому входу формировате-, Е

С. ля команды управления и ко входу генератора, выход второго ключа соединен с первым входом ячейки аналоговой памяти, выход которой подключен к первому входу дифференциального усилителя, с вторым входом которого соединен выход первого ключа, выход дифференциального усилителя подключен к первому входу компаратора, с вторым входом которого соединен с, выход задатчика скорости, выход компаратора подключен к второму входу формирователя команд управления, выход приемно-излучающего датчика через вторую кабельную линию связи соединен с первым входом усилителя, первый выход генератора тактовых импульсов подключен к вторым входам усилителя ф и ячейки аналоговой памяти.

1111190

Изобретение относится к автоматизации механической обработки деталей, предназначено для контроля энергии удара по скорости вращения роторамаховика в винтовых прессах с дуго статорным приводом и может найти применение для контроля параметров вращательного и поступательного движения — линейной и угловой скорости, частоты вращения, момента инерции и т.п., различных механизмов, например ползунов, осей и т.д.

Известны бесконтактнь|е устройства для контроля скорости вращения вала, которые содержат размещаемые на контролируемом объекте изпучающие датчики (например, магниты), либо искусственные неоднородности (например, зубцы, выемки, зарубки), приемные индуктивные датчики, генератор эталонной частоты, счетчики и блоки управления и обработки. Работа их основана на измерении временного интервала между импульсами, разнесенными на период оборота при вращатель25 ном движении или цикла перемещения при возвратно-поступательном движении 1) и (2)

К недостаткам такого рода устройств применительно к контролю на винтовых прессах скорости вращения ротор4-маховика, представляющего собой массивный цельнометаллический ротор дугостаторного электродвигате- З ля, относится слишком короткая зона чувствительности, не превышающая нескольких миллиметров, что затруд" няет использование их на прессах, амплитуда вибраций станчны которых достигает двух и более миллиметров..

Это приводит к пропускам, сбоям, т.е. надежность и точность контроля в этом случае весьма низкая. Кроме того, эти устройства ненадежно работают в присутствии мощных импульсных электромагнитных полей, что обус-ловлено принципом работы индуктивных датчиков и имеют довольно слож- ную схему выделения информации о ско50 рости объекта. Помимо этого, к датчикам этих устройств предъявляются высокие требования в отношении работы их в условиях повышенных температур, поскольку они размещены в непосредственной близости от ротора-махови55 ка, который за счет вихревых токов нагревается до значительных температур (свьппе ЗОО С) .

Известно также бесконтактное акустическое устройство контроля инструмента, содержащее генератор, ультразвуковой излучатель, ультразвуковой приемник со встроенным в одном с ним корпусе блоком согласования, приемный усилитель, синхронизатор и формирователь команд управления. Блок согласования при этом содержит последовательно соединенные ограничитель напряжения, усилитель тока, дифференцирующий элемент, резонансный усилитель, частотный фильтр и преобразователь импеданса )4) .

К недостаткам данного устройства относится то, что оно предназначено только для усгановления факта наличия объекта в контролируемой точке. Устранение этого недостатка требует дополнения устройства счетчика ли,блоками обработки и формирования эталонного времени, что вызовет его значительное усложнение.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является радиолокационная станция с когерентно— импульсной селекцией движущихся целей (СДЦ), основанная на использовании эффекта Допплера, содержащая приемно-передающую антенну, кабельную линию связи, коммутатор приемапередачи, генератор, модулятор, когерентный гетеродин, синхронизатор, приемник, состоящий из последовательно соединенных фазового детектора, смесителя с местным гетеродином, усилителя промежуточной частоты (УПЧ), компенсирующее устройство, амплитудный детектор и частотоизмерительную схему (частотомер), формирователь команд управления и индикатор 31 .

Недостатками известного устройства применительно к контролю скорости вращения ротора-маховика винтового пресса с дугостаторным приводом яв.ляется следующее: низкая помехоустойчивость приемного тракта против промышленных (цеховых) импульсных аддитивных помех, действующих как в виде бросков тока в цепях питания тракта, так и электромагнитных наводок, связанных с коммутациями электроприводов цехового оборудования. Обусловлено это равнозначностью для антенны (датчика) полезных сигналов и наводок, поскольку и те и другие представляют собой электромагнитные импульсы. Кро20 большая сложность устройства, 50 обусловленная наличием двух гетеродинов, двух детекторов, компенсирующего устройства и частотоизмерительной схемы, при этом когерентный гетеродин, являясь наиболее ответствен- 55 ным узлом устройства, от которого требуется высокая стабильность частоты и фазы колебаний и очень точное

3 1111 ие того, информация на выходе фазового детектора появляется в -результат суммирования поданных на него колебаний с различными фазовыми соотношениями, и, когда в нем помимо полезного и опорного (с когерентногA гетеподиня) сигналов появляется импульс помехи, он также будет просуммирован с остальными, что приведет к ложной информации на выходе детектора и, соответственно, к снижению надежности контроля. Повышение помехоустойчивости данного устройства требует значительного его усложнения, l5 наличие неконтролируемых скоростей, когда последовательность отраженных от движущегося объекта импульсов на выходе фазового детектора не имеет огибающей допплеровской частоты, что соответствует отражению от неподвижного объекта (например, окружающей арматуры); это значительно снижает надежность контроля и вызвано тем, что с ростом скорости в зависимости от соотношения допплеровской частоты модуляции (огибающей) и повторения 1„ импульсов частота модуляции пульсирует, т.е. сначала линейно растет, достигая максимума при fg = 4п Я, затем линейно спадает и равна нулю при равенстве этих частот, затем процесс повторяется, а поскольку 1 г пропорциональна величине скорости объекта, это и означает наличие неконтролируемых ско35 ростей, устранение этого явления в данном устройстве приводит к его значительному усложнению; большие габариты антенны (датчика), 40 поскольку для создания хотя бы минимальной направленности излучения и приема приемно-излучающая поверхность антенны должна иметь поперечные размеры не менее длины волны, что

45 составляет десятки сантиметров и вызывает значительные конструктивные трудности в обеспечении свободной от арматуры зоны контроля;

190 4 согласование по фазе с импульсом генератора, сам имеет весьма сложное устройство, не менее сложны компенсирующее устройство, состоящее иэ блока задержки и блока вычитания, и собираемое чаще всего на потенциа локскопе, и частотоизмерительная ! схема, представляющая собой частотомер, сложность выделения информации о скорости из отраженного сигнала, заключающаяся в двойном его преобразовании, в фазовом и амплитудном детекторах, что приводит к снижению надежности и точности контроля, кроме того, преобразование "смещение фазы — частота - скорость" усложняет схему устройства и, в частности, регистрирующие цепи, что приводит к снижению надежности устройства.

Цель изобретения — повышение помехоустойчивости и надежности контроля. упрощение устройства, уменьшение габаритов датчика, а также упрощение выделения информации и повышение надежности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее приемноизлучающий датчик, генератор, аттенюатор, первую, вторую и третью кабельные линии связи, усилитель, первый выход генератора через Первую кабельную линию связи подключен ко входу приемно-излучающего датчика, второй выход генератора подключен ко входу аттенюатора, введены частотный детектор, первый и второй ключи, ячейка аналоговой памяти, дифференциальный усилитель, компаратор, задатчик скорости, генератор тактовых импульсов, формирователь команды управления, к входу частотного детектора подклю-. чены выход усилителя и через третью кабельную линию связи выход аттенюато. ра, выход частотного детектора подключен к сигнальным входам первого и второго ключей, с управляющими входами которых соединены соответственно первый и второй выходы генератора тактовых импульсов, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к первому входу формирователя команды управления,и ко входу генератора, выход второго ключа соединен с первым входом ячейки аналоговой памяти, выход которой подключен к первому входу дифференциального усилителя, со вторым входом которого соединен выход первого ключа, выход

1111190 дифференциального усилителя, подключен к первому входу компаратора, со вторым входом которого соединен выход задатчика скорости, выход компаратора подключен ко второму входу фор- 5 мирователя команд управления, выход приемно-излучающего датчика через вторую кабельную линию связи соединен с первым входом усилителя, первый выход генератора тактовых импульсов подключен ко вторым входам усилителя и ячейки аналоговой памяти.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, на .фиг.2 — амплитудно-частотная характе- д ристика частотного де1ектора.

Приемно-излучающий акустический датчик 1 содержит пьезопреобразова тель и размещенный в одном с ним корпусе блок согласования, состоящий из 2р ограничителя напряжения и элементов усиления сигнала и согласования ньеэопреобразователя с нагрузкой датчика.

Ограничитель напряжения здесь дополнительно выполняет функции коммутато- 25 ра приема-передачи, поскольку датчик данного устройства имеет один пьезопреобразователь, играющий роль излучателя и приемника. Датчик подключен коаксиальными кабелями 2 и 3 соот-Зо ветственно к первому выходу генератора 4, служащего для формирования в виде радиоимпульсов напряжения-возбуждения пьезопреобразователя датчика, и к сигнальному входу приемного усилителя 5 и служит для преобразования электрических радиоимпульсов генератора в акустические зондирующие импульсы, излучения их в среду в направлении объекта, приема этих 4О импульсов, отраженных от объекта, преобразования их в электрические, предварительного усиления и селекции принятого сигнала, согласования волновых сопротивлений пьезопреобразо- 45 вателя и коаксиального кабеля и коммутации режимов работы схемы. Второй выход генератора через последовательно . соединенные аттенюатор 6, предназна- ченный для ослабления выходного напряжения генератора, коаксиальный кабель 7 и выход приемного усилителя подключены ко входу частотного детектора 8, предназначенного для преобразования отклонения 4f частоты высокоК частотного заполнения поступающих на его вход импульсов от собственной его частоты настройки в постоянное напряжение, пропорциональное величине отклонения. Выход частотного детектора подключен к соединенным в параллель сигнальным входам ключей 9 и 10, управляющие входы которых подключены соответственно к первым и вторым выходам генератора 11 тактовых импульсов (ГТИ), предназначенного для формирования импульсов управления и синхронизации работы узлов и блоков устройства Ключ 10 предназначен для передачи аналогового сигнала возбуждения излучателя от частотного детектора на вход ячейки 12 аналоговой памяти, служащей для кратковременного запоминания этого сигнала на период до прихода сигнала, отраженного от объекта, и своим выходом подключен к сигнальному входу ячейки, управляющий вход которого подключей к первому выходу ГТИ. Ключ 9 предназначен для передачи отраженного от объекта аналогового сигнала от частотного детектора на вход дифференциального усилителя (ДУ) 13 и подключен своим выходом к прямому сигнальному входу

ДУ, к инверсному сигнальному входу которого подключен выход ячейки аналоговой памяти. ДУ предназначен для взаимного вычитания аналоговых сигналов, поступающих одновременно на его входы с ключа 9 и ячейки 12, выделения их разности, усиления ее или пропорционального пересчета ее в другой аналоговый сигнал, пропорциональный кинетической энергии тела, частоте вращения и т.п. и передачи разностного сигнала на вход компаратора

14 и подключен своим выходом к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с выходом задатчика

15 скорости, представляющего собой сменную уставку, и предназначенного для создания на втором входе компаратора опорного сигнала, соответствую-. щего заданному уровню скорости. Выход компаратора подключен к сигнальному входу формирователя 16 команд управления (ФКУ), служащего для формирования стандартного сигнала отключения дугостаторного привода роторамаховика при достижении им заданной скорости. Первый вход ФКУ подключен к третьему выходу ГТИ, четвертый выход которого подключен к управляющему входу генератора 4. Выход ФКУ подключен к исполнительным органам управления прессом, Электрические сигналы возбуждения датчика 1 в виде радиоимпульсов дли1111190 зы до начала следующего зондирующего импульса. На пьеэопреобразователе отраженные акустические импульсы вновь преобразуются в электрические и через коммутатор и остальные элементы блока согласования датчика по коаксиальному кабелю 3 подаются на приемный усилитель 5, который в это время уже открыт управляющим импульсом, поступающим на его первый вход, с первого выхода ГТИ 11. Если при этом сигнал отразился от объекта, движущегося со скоростью Ч, то на основании эффекта Допплера частота высокочастотного заполнения импульса в соответствии с изменением величины и направления скорости получает приращение, называемое допплеровским смещением частоты, которое выражается в виде где dig — допплеровское смещение частоты;

1— угол между направлением излучения и нормалью к поверхности контролируемого объекта; — скорость движения объекта; — частота заполнения зондио рующего импульса (частота нас гройки генератора);

С вЂ” скорость звука в среде.

"Плюс" перед дробью означает, что вектор скорости точек контролируемой поверхности направлен против направления излучения, а "минус" — по направлению излучения. Следовательно, заполнение в отраженном импульсе представляет собой частотно-модулированное колебание, в котором величина смещения частоты, как видно из приведенного выражения, находится в линейной зависимости от скорости движения объекта. При этом параметры зондирующего импульса выбираются из соотношений гдето — нижнее значение допплеровсДн кого смещения частоты, соответствующее нижнему значению диапазона скоростей контролируемого объекта; г — расстояние от датчика до контролируемого объекта.

7 тельностью т., частотой заполнения и частотой повторения 1„ по коаксио альному кабелю 2 с выхода генератора

4, управляемого поступающими на его вход П-импульсами с четвертого выхода ГТИ, через коммутатор приемапередачи блока согласования датчика поступают на его пьезопреобразователь, где преобразуются. в акустические тех же параметров (зондирующие импульсы) и излучаются в воздушную среду в направлении объекта. Одновременно со второго выхода генератора через аттенюатор 6 и коаксиальный кабель 7 ослабленный импульс воэбужде-15 ния поступает на частотный детектор

8, входные цепи которого настроены на частоту î так, что при отсутствии отклонения 1 частоты пришедшего на. его вход сигнала от его собственной 20 частоты настройки напряжение на его Яб п Ч выходе имеет нулевой уровень, а при С наличии отклонения — отличный от нуля и линейно зависящий от величи.ны отклонения в пределах от (+ 6k > .25 до (-hi ») полосы пропускания детектора ° Амплитудно-частотная характе- ристика детектора представлена на фиг.2, где по горизонтальной оси обозначено отклонение h4 частот, а по вертикальной — выходное напряжение

0 детектора. Величина й„,д îáóñвыл ловлена параметрами схемы детектора и выбирается из условия максимально возможного отклонения ее в решаемой данным устройством задаче. С выхода частотного детектора сигнал с уровнем, соответствующим истинному значению частоты заполнения зондирующего импульса, т.е. с учетом вре- 40 менной и температурной нестабильности Ь1 частоты схемы, и в частности, генератора и частотного детектора, поступает на ключ 10, открытый на время действия зондирующего импульса 4> управляющим сигналом со второго выхода ГТИ 11, и с его выхода подается в ячейку 12, где запоминается на время излучения зондирующего импульса и начинает считываться с момента 50 1 (Ф ьf ) ь(г (С) f i (С/2 ), l H 7 и ( прихода на управляющий вход ячейки

12 с первого выхода ГТИ управляющего сигнала, соответствующего началу приема отраженного импульса. Считываемый с выхода ячейки 12 сигнал подается на инверсный вход ДУ 13. Зондирующие импульсы, дойдя до объекта, отражаются от него и попадают вновь на пьезопреобразователь в период пау"

1111190

Частота 1о заполнения импульса (частота настройки генератора) является резонансной частотой пьезопреобразователя и выбирается из условий затухания ультразвуковых волн в данной среде на расстоянии, равном 2г. Расстояние г до контролируемого объекта за счет использования акустической локации составляет до нескольких десятков сантиметров и выбирается так, чтобы уровень температуры, обусловленный теплоиэлучением разогретого до 300400 С ротора-маховика, в месте устао новки датчика не превышал допустимого. Кроме того, величина частоты

f должна обеспечивать максимальную направленность датчика с целью получения максимального уровня энергии в отраженном сигнале, что обеспечивается выбором размеров приемно-излучающей поверхности датчика. Для обеспечения высокой направленности (угол раствора характеристики направленности не превышает 30 ) на наио большем размере приемно-излучающей поверхности должно укладываться не менее четырех длин волн излучаемой частоты. Поскольку для датчиков, работающих в воздушной среде, длины излучаемых волн составляют 1-5 мм, то наибольший размер приемноизлучающей поверхности датчика не превышает 20 мм, что на 1-2 порядка меньше в сравнении с прототипом.

Отраженный сигнал, усиленный в усилителе 5, подается далее на. частотный детектор 8, с выхода кото-, рого снимается постоянное напряжение с уровнем, пропорциональным отклонению частоты заполнения отоаженного импульса от частоты 1 или, что то же самое, от частоты настройки частотного детектора. Это отклонение частоты включает в себя нестабильность частоты генератора, которая присутствует в зондирующем импульсе, и частотного детектора, а также допплеровское смещение частоты, пропорциональное скорости и направлению движения объекта. С выхода детектора сигнал подается на сигнальный вход ключа 9, который в это время открыт управляющим импульсом.с первого выхода ГТИ (ключ 10 соответственно закрыт управляющим импульсом со второго выхода ГТИ), и с его выходана прямой вход ДУ 13. При появлении в приемном тракте импульсов помехи, представляющих собой видеоимпульсы сложной формы, являющихся основным видом помех в цеховых условиях и возникающих вследствие бросков тока в цепях питания либо электромагнитной наводки, обусловленных коммутациями электроприводов цехового оборудования, действие на их резонансные цепи приемного тракта, в том числе

1О и частотного детектора, проявляется в том, что каждый из фронтов видеоимпульсов помехи возбуждает контуры на их резонансной частоте, в данном случае на частоте fz . Одна15 ко, как следует из принципа работы частотного детектора, на этой частоте его выходной сигнал имеет нулевой уровень (фиг.2). Это означает, что цеховая помеха в нагрузку частотно20 го детектора практически не проходит, и, следовательно, помехоустойчивость и, соответственно, надежность контроля данного устройства в сравнении с известными значительно

25 выше. В ДУ оба сигнала с выхода ячейки 12 и ключа 9, уровни которых соответствуют приращениям частоты заполнения зондирующего и отраженного импульсов, взаимно вычитаются, образуя

30 на выходе его остающийся нескомпенсированным разностный сигнал, обусловленный только допплеровским смещением частоты, т.е. пропорциональный только величине скорости контролируемого объекта. С выхода ДУ сигнал подается на первый вход компаратора 14, на другой вход которого подается опорный сигнал с задатчика

15 скорости, представляющего собой сменную уставку, например, резистор, включенный в цепь питания схемы: падение напряжения с которого, соответствующее заданному порогу скорости,и подается на второй вход компара45 тора. При этом, если использовать известные соотношения, связывающие скорость с кинетической энергией те,ла, частотой вращения или углом поворота вала (оси, маховика), установив соответствующие уставки в задатчике 15, то данное устройство будет регистрировать непосредственно энергию удара пресса, частоту вращения или угла поворота вала (маховика, 0 оси) и т.д. При равенстве на входах

55 компаратора сигнала с выхода ДУ и опорного с задатчика скорости на выходе компаратора появляется сигнал который подается на сигнальный вход

1111190

12 формирователя команд управления (ФКУ) 16, на первый вход которого с третьего выхода ГТИ подается сигнал управления. ФКУ формирует. стандартный сигнал отключения электро- 5 привода ротора-маховика при достижении им порогового значения скорости, чему соответствует появление сигнала на выходе компаратора.

Как видно из фиг.1, схема данного устройства в сравнении с известным значительно проще, особых требований на ее узлы и блоки (кварцевание частоты генератора, термостабильность, высокая добротность, стабильность фаз и частот и т.п.) не накладывается, выделение информации о скорости осуществляется один раз линейным преобразованием в детекторе (фиг.2).

При этом информация о скорости заложе-2 на в уровне выходного напряжения детектора, что обуславливает простоту дальнейшей ее обработки и регистрации и в конечном итоге повышает надежность устройства; Монотонная линейная зависимость уровня выходного напряжения детектора во всем диапазоне заданных скоростей обеспечивает отсутствие неконтролируемых скоростей объекта. Кроме того, устройство контролирует не только уровень ско-. рости, но и ее направление, что также видно из графика на фиг.2.

Применение изобретения практически исключает выход бракованной продукции, обусловленный отсутствием надежного контроля дозирования энергии удара, и возможные при этом поломки пресса, соответственно повышает качество продукции и производительность работы на винтовых прессах с дуго1 статорным приводом.

Составитель M. Артамонов

Редактор С. Тимохина Техред М.Тепер Корректор-С. Чер и ъ

Заказ 6315141 Тираж 568 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,