Устройство для измерения параметров вращающихся объектов

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров вращающихся объектов, преимущественно температуры, скорости и амплитуды радиальных биений. Суть изобретения заключается в формировании на входе приемника 8 излучения, содержащего, например, первый и второй фотодиоды (на чертеже не показаны), расположенные на фиксированном расстоянии друг от друга, интерференционной картины, сформированной на поверхности второго полупрозрачного зеркала 5. При этом масштаб интерференционной картины, формирующийся в поле зрения приемника излучения 8, выбирают с помощью фокусирующей линзы 7 таким образом, чтобы расстояние между гребнями двух соседних интерференционных полос было больше расстояния между полями зрения первого и второго фотодиодов приемника излучения 8. По направлению движения интерференционных полос и скорости их перемещения определяют параметры вращающегося объекта 1. Устройство позволяет повысить точность измерения амплитуды радиальных биений в 10 2-10 3 раз за счет применения метода интерферометрии и доведения ее до λ/2, где λ - длина волны монохроматического излучения источника 2, и температуры, при отсутствии радиальных биений за счет определения температуры вдоль N диаметральных линий центрально симметричного вращающегося объекта 1, а при наличии радиальных биений - за счет измерения интенсивности дробной части интерференционной полосы на неустановившемся режиме работы вращающегося объекта 1 и представления информации в цифровом виде в 10-20 раз. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

С014ИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„.Я0„„1583756

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

Г10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4480050/31-25 (22) 14.,07.88 (46) 07.08.90. Бюл. Ф 29 (71) Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) Б.И. Мокин и С.Л. Яблочников (53) 53.082.54(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 821960, кл; С 01 К 11/12, 1979.

Авторское свидетельство СССР .К - 1015270, кл. G 01 К 13/08, G 01 P 3/36, G 01 Н 1/64, 1981. (gg) g 6 01 J 5/50, G 01 Р 3/36, С 01 С 19/64

2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АРАМЕТРОВ ВРАЩА1ЛЦИХСЯ ОБЪЕКТОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения паратмеров вращающихся объектов,,преимущественно температуры, скорости и амплитуды радиальных биений. Суть изобретения зак.лючается в формировании на входе приемника 8 излучения, содержащего, например, первый и второй фотодиоды (не показаны), расположенные на фиксированном расстоянии друг от друга. ин1583756 теференционной картины, сформированной на поверхности второго полупрозрачного зеркала 5. При этом масштаб

Интерференционной картины формируюЭ 5 щийся в поле зрения приемника 8 излучения, выбирают, с помощью фиксирующей линзы 7 таким образом, чтобы расстояние между гребнями двух соседних интерференционных полос было боль-10

Ше расстояния между полями зрения первого и второго фотодиодов приемника

8 излучения. По направлению движения интерференционных полос и скорости их перемещения определяют параметры 15 вращающегося объекта. 1 Устройство позволяет повысить точность иэмереИзобретение относится к измеритель, ной технике и может быть использовано для измерения параметров вращающихся объектов, преимущественно температуры, скорости и амплитуды .радиальных биений.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

На чертеже приведена функциональ. 30 ная схема устройства.

Устройство для измерения парамет-. ров вращающегося объекта 1 содержит источник 2 монохроматического излучения, датчик 3, прикрепленный к поверх35 ности вращающегося объекта 1 и выполненный в виде плоскопараллельного стеклянного диска с показателем преломления п, на основания которого нанесен

40 материал с показателем преломления

n (п, при этом на основании стеклянного диска, обращенном в сторону источника 2, выполненно кольцевое: окно для ввода и вывода излучения источ45 ника 2,а также первое 4 и второе 5 полу- ,прозрачные зеркала, выполненные в виде светоделительных кубиков, зеркало 6, фокусирующую линзу 7, приемник 8 излучения, выполненный, например, в виде первого и второго фотодиодов и двух

50 операционных усилителей с большим коэффициентом усиления (не показаны),, при этом расстояние между полями зрения- фотодиодов зафиксировано. Кроме того, устройство содержит реверсивный счетчик 9, блок 10 преобразования ход - напряжение, коммутатор 11, из 4еритель 12, первый 13 и второй 14 ния амплитуды радиальных биений в я э

10 -10 раз за счет применения метода интерферометрии и доведения ее до

g/2, где Я в длина волны монохроматического излучения источника 2, и температуры, при отсутствии радиальных биений за счет определения температуры вдоль п диаметральных линий центрально симметричного вращающегося объекта 1, а при наличии радиальных биений — за счет измерения интенсивности дробной части интерференционной полосы на неустановившемся режиме работы вращающегося объекта 1 и представления информации в цифровом виде в 10-20 .раз. 1 ил. инверторы, сумматор 15, блок 16 измерения постоянной составляющей, блок

17 синхронизации, управляемый тактовый генератор 18, частотомер 19, аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

20 и запоминающий конденсатор 21. При этом датчик 3, первое 4 и второе 5 полупрозрачные зеркала и зеркало 6 оптически связаны между собой по схеме интерферометра, опорный канал которого содержит зеркало 6, а информационный — датчик 3, ввод излучения от источника 2 в который производится через кольцевое окно под углом 0 )g ц„, величина которого зависит от соотношения между показателями преломления п, и n < (Q„- критический угол).

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника 2, проходя через первое полупрозрачное зеркало

4, попадает в кольцевое окно датчика

3 для ввода-вывода излучения. Испытав многократные отражения от границ раздела материалов с показателями преломления и и и, пройдя весь объе м датчика, излучение выходит через кольцевое окно и попадает на второе полупрозрачное зеркало 5. Часть излучения,от источника 2, пройдя через первое полупрозрачное зеркало 4 и отразившись от: зеркала 6, также попадает: на второе полупрозрачное зеркало

5, пройдя сквозь которое, интерферирует с .излучением, прошедшим через датчик 3 и отразившимся от поверхности второго полупрозрачного зеркала 5.

1583756 6Масштаб интерференционной картины, — полос в поле зрения приемника S излчри этом, если в поле зрения :.. формирующейся в поле зрения приемника чения If

8 излучения, выбирается с помощью фо- первого и второго фотодиодов приемУ кусирующей линзы 7 таким образом что- ника 8 излучен ф излучения сформирована интербы расстояние между гребнями двух со- ференционная картина таким образом, седних интерференционных полос было что расстояни о ояние о межцу гребнями собольше, чем расстояние ме по жду лями седних интерференционных полос больше зрения первого и второго фотодиодов расстояни р я между полями зрения приемника 8 изл чения. В э у . том случае 1О первого и второго фотодиодов приемнина первом и втором выходах приемника ка излучения, то при движении полос, 8 излучения формируются одинаковые например, слева. направо импульс напсигналы, близкие к син со у идальным, ряжения на первом выходе приемника 8 но сдвинутые относительно друг друга излучения будет появляться несколько на время 7 . По изменению интерйери- 1- раньше чем íà его .П

Э втором выходе.При ционной картинки, которое может быть изменении направления движения интервызвано изменением длины оптического ференционных полос импульс напряжения пути: источник 2 — первое полупрозрач- на втором выходе приемника 8 излуче» ное зеркало 4 — атчик 3— — д второе по- ° ния будет появляться несколько раньлупрозрачное зеркало 5, или изменением 20 ше, чем на его первом выходе. Импулькоэффициента преломления материала, сы напряжения на первом и втором вынанесенного на основание стеклянного .ходах приемника 8 излучения возникадиска 3, обращенное к поверхности ют за счет изменения. интенсивности вращающегося объекта 1, судят о пара- . излучения в поле зрения первого и втометрах вращающегося объекта 1. 25 рого фотодиодов приемника 8 излучения, При этом в первом случае измене- в результате "пробегания" мимо них ние интерференционной картины будет интерференционных полос. Это позволянести информацию о величине радиаль- ет определить направление движения ных биений вращающегося объекта 1, а интерференционных полос ° во втором " о его температуре. Чувст- Зр С первого и второго выходов приемвительность датчика 3 к изменению ника 8 излучения импульсы напряжения температуры выбирается такой, чтобы поступают на первый и второй входы предполагаемые отклонения температуры соответственно реверсивного счетчика в каждаи точке поверхности вращающе- 9 импульсов, на цифровом выходе котогося объекта 1 от средней вызывали рого формируется цифровой код, велисравнительно небольшие изменения ин- чина которого изменяется в зависимостерференционной картины в пределах ти от количества интерференционных сдвига одной полосы. Такое условие полос, пробежавших" в поле зрения мажет не выполняться, если нет необ» первого и второго фотодиодов приемходимости оценивать температурное рас- 4О ника 8 излучения, и направления их пределение по всей поверхности враща- движения, определяемого амплитудой ющегося объекта 1 радиальных биении вращающегося объекИзмерение радиальных биений и та 1. скорости вращения осуществляется уст- С цифрового выхода реверсивного ройством следующим образом. 45 счетчика 9 импульсов цифровой код

При вращении вращающегося:объекта поступает на цифровой вход блока fO

1 с угловои скоростью ж и наличии преобразования код — напряжение, на радиальных биений с амплитудой A выходе которого формируется периодидлина оптического пути монохромати- ческий сигнал ампл мплитуда которого ческого излучения, источника 2, праха- 5р пропорциональна амплитуде радиальных дящего через датчик 3, будет изме«: биений А а частота следовани

РХ едования равйяться с частотой . Следовательн

43 в ьно, на удвоенной частоте вращения вращающегося объекта 1. С выхода блока 10 фаза этого излучения также б т

Удет из- преобразования код — напряжение пе4) меняться с частотой ---. то привед Ы риодическии сигнал поступает непос»

0 редственно на вход измерителя 12 и к периодическому изменению интерферен- через комму татар на вход частото11 ционнаи картины, выражающемуся в пери- мера 19 Н а выходе измерителя 12, выадическом движении интерференционных полненного ого, например, в виде масштаби1583756 рующего усилителя, формируется перйадический сигнал, масштаб амплитуды которого приведен к масштабу шкалы цифрового вольтметра (не показан), с помощью которого этот сигнал может быть измерен. Подключение частотомера

19 к выходу блока 10 преобразования код — напряжение осуществляется по.дачей на первый управляющий вход ком- 10 мутатора 11 напряжения "Лог. 1" непссредственно с выхода измерителя 12 н на второй управляющий вход — напряI I I I жения Лог. 0 с выхода первого ннвертора 13. 15

Измерение температуры и скорости вращения вращающегося объекта 1 осуществляется устройством следующим образом.

Интерференционная картина,.соответ-20 ствующая случаю, когда вращающийся объект i находится в покое, à его средняя температура t известна, фиксируется приемником 8 йзлучения, прн этом на цифровом выходе реверсивногс счетчика 9 устанавливается цифровой код, соответствующий данной температуре, а на первом выходе, приемника 8 излучения — электрический сигнал, со— ответствующий интенсивност и дробной 30 части интерференционной полосы интерференционной картины.

Рассмотрим сначала случай отсутствия радиальных биений вращающегося объекта 1, т.е. предположим, что онн 35 устранены. Тогда при вращении вращающегося объекта 1 будет возникать периодическое изменение интерференционной картины за счет того, что будут изменяться условия прохождения излу- 40 чения от источника 2 через датчик 3„

Эти изменения будут вызываться отличием температуры различных точек поверхности вращающегося объекта 1 от его средней температуры. Так как дат" 45 чик 3 вращается с .угловой скоростью д, то луч, формируемый неподвижным источником 2, будет сканировать стек:л янный диск датчика 3. Испытывая многократные отражения от границ разде- 50 ла сред с показателями преломления и и и в плоскости, совпадающей с дйаметральной линией.:стеклянного диска датчика 3, излучение приобретает фазовый сдвиг, который будет пропорционален средней температуре вдоль указанных диаметральных линий. При этом точность оценки температурного поля будет зависеть от количества различаемых диаметральных линий и оп-! ределяться частотой импульсного сигнала на выходе управляемого тактового генератора 18, вырабатывающего син сигнал для АЦП 20, на вход которого поступает аналоговый сигнал с выхода сумматора 15, пропорциональный темпе,ратуре сканируемого в данный момент времени участка. На первый и второй входы сумматора 15 поступают два сигнала, один из которых поступает на его второй вход с выхода блока 16 измерения постоянной составляющей и пропорционален температуре — t< +шТ, где t < - начальная температура вращающегося объекта 1; ш — количество "пробежавших в поле зрения приемника 8 из.лучения интерференционных полос с момента начала движения вращающегося объекта 1;

Т вЂ” температурный коэффициент пропорциональности.

Этот сигнал на выходе блока 16 измерения постоянной составляющей формируется вследствие изменения интерференционной картины в поле зрения приемника 8 излучения выражающегося в движении интерференционных полос в определенную сторону.

Информацию об отличии текущей температуры t;, где i=0,1,2,...,n; ив количество различаемых линий контроля температуры в определенной точке объекта, от температуры „ на величину dt будет нести электрический сигнал, поступающий на первый вход сумматора 15 через коммутатор 11 с первого выхода приемника 8 излучения.

Величина этого сигнала пропорциональна интенсивности дробной части интерференционной полосы интерференционной картины в поле зрения приемника

8 излучения в каждый момент времени.

Следовательно, на выходе сумматора (5 в каждый i-й момент времени формируется электрический сигнал, пропорциональный

1; =Ек+ Й t,.= н+шТ+Л где Лt может принимать как положительные, так и отрицательные значения

Таким образом, на выходе сумматора 15 формируется периодический элект1583756

Рический сиги р " сигнал, частота повторения рой вход сумматора 15 поступает электкоторого равна удвоенной частоте рический сигнал, пропорциональный вращения вращающегося объекта 1 t, формируемый на выходе блока 16 р емой частотомером- 19 вход кото- 5 измерения постоянной составля цей а из11 по ключен к п

Рого в этом случае через коммутато .на первый вход сумматора 15 через

Р подключен к первому выходу прием- коммутатор 11 поступает электрический ника 8 изл ения. П и злучения. При этом на первом сигнал пропорциональный dt формирууправляющем входе коммутатора 11 ус- емый на первом выходе приемника 8 изтанавливается напряжение Пог 0"

Р жение "Пог. 0, à 1р лучения. Оцифровка выходного сигнала на втором управляющем входе — напряже- сумматора 15 производится АЦП 20 с ние "Лог. 1". Это об бусловлено тем,, частотои в два раза выше частоты врачто на выходе измерителя 12 отсутст — щения вращающегося объекта 1. При этом вует электрический сигнал, так KaK с такой же частотой блок 17 синхрониамплитуда радиальных биений А < -p, 15 .зации производит отключение третьего

По этой же причине на выходе блока 17 выхода коммутатора 11 от первого вхосинхронизации отсутствует электричес- да сумматора 15 и подключает к первокии сигнал, а следовательно, на тре- му выходу приемника 8 излучения запотьем и четвертом управляющих входах минающий конденсатор 21. Таким обракоммутатора 11 устанавливаются напря- 20 эом осуществляется хранение информажение "JIor„1" (выход второго инвер- ции на время 1/Г где f 21i где, — тактовая тора ) и Лог„ 0" (выход блока 17 частота синхросигнала, поступающего синхронизации) соответственно. Управ- Ha синхровход АЦП 20 с выхода управляемый тактовый генератор 18 при этом ляемого тактового генератора 18. Сигв связи с отсутствием управляющего 25 налы на третий и четвертый управлясигнала на его входе формирует на ющие входы коммутатора 11 поступают в своем выходе синхросигнал с частотой те моменты времени, когда на первом, в 2 раза выше частоты вращения враща- втором и третьем входах блока 17 синющегося объекта 1. Таким образом, за хронизации уровни сигналов совпадают, один оборот вращающегося объекта 1 30 т.е. темпеРатУРа вРащающегосЯ объекта на .выходе A(I 20 формируется 2п кодо- 1 достигает среднего значениЯ за певых комбинаций, каждая из которых со- Риод, при этом на четвеРтый УправлЯответствует температуре вдоль i-й ди- кщий вход коммутатора 11 сигнал посаметральной линии центрально симмет- тупает раньше, чем на его третий упрйчног вращающегося объекта 1. Такая 35 равляющий вход Бремя за ремя задержки опре-. точная оценка температурного поля бу- деляется задержкой вт орого инвертора дет производиться при любом режиме 14, при этом за это за это время конденсатор работы вращающегося объекта 1 (разгон, 21,успевает запомнить уровень сигнаостановка, установившееся движение ла с первого вых 8

f ода приемника 8 излу.ускорение и т.д.) при отсутствии ра- 4р .чения, диальных биений, Измерение скорости вращения вращазводится так же, При наличии радиальных биений, ког- rrrrrrегоcsr объекта 1 произво ит д р < g О, на Выходе измерителя 12 как и в предыдущем случ ° появляется электрический сигнал амЭ

Таким образом у зом, устроиство позволяниитуда которого пропорциональна А 3 45 ет повысить точность измерения амплипри этом на первом и втором управля- туды Раднальных биени" 10 -10 и в — раз ющих входах коммутатора 11 устанавли- за счет применения н я метода интерфероваются напряжения, соответствующие . метрии и доведения ее о Д /2

le 1 11 11Л Ptt и or. соответственно. Я вЂ” длина волны монохроматического

Измерение амплитуды радиальных биений 50 излучения источника 2 и температуры и угловой скорости у вращения вра- при отсутствии радиальных биений за щающегося объекта 1 производится ана- счет определения темпе а температуры вдоль логично описанному измерителем 12 и и диаметральных лини" ж линии центрально-симчастотомером 19. Измерение температу- метричного вращающегося объекта 1, а ры в этом случае производится следу- 55 при наличии радиальных биений за счет ющим образом. измерения интенсивности дробной части

Определение температуры t произ- интерференционнной полосы на неуставодится так же, как и в предыдущем новившемся режиме раб оты вращающегося случае, путем двойной оценки. На вто- объекта 1 (в период его разгона, 1583756! 2

Формула изобретения

Составитель А. Леви

Техред А.Кравчук

Корректор М. Максимишинец

Редактор Л. Гратилло

Тираж 438

Чакаэ 2?46

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул. Гагарина,101 (торможения и т.д.) и представления информации в цифровом виде в 10-20 раз.

Это приводит к снижению процс нта брака при проведении неразрушающего контроля изделий в процессе производстна .и эксплуатации, а также своев-. ременному выявлению отклонений от нормального режима работы крупных электрических машин и предотвращению аварий, которые могут нанести .серье.зный ущерб народному хозяйству.

Устройство для измерения параметров вращающихся объектов, содержащее оптически связанные источник монохроматического излучения, первое полупрозрачное зеркало и датчик, фокусирующую линзу и приемник излучения, а также реверсивный счетчик импульсов и частотомер, при этом датчик закреплен на вращающемся объекте, его центр 75 совмещен с осью вращающегося объекта, а полупрозрачное зеркало установлено между датчиком и источником монохроматического излучения под углом 45 к его оптической оси, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности измерений, в него дополнительно введены зеркало, второе полупрозрачное зеркало, блок преобразования код — напряжение, коммутатор, первый и второй инверторы, . сумматор, блок измерения постоянной составляющей, блок синхронизации, управляемый тактовый генератор, аналого-цифровой преобразователь, измеритель и запоми- 40 нающий конденсатор, при этом первый и второй выходы приемника излучения подключены к первому и второму входам реверсивного счетчика импульсов, цифровой выход которого подключен к 45 цифровому входу блока преобразования код — напряжение, выход последнего соединен с первым. входом коммутатора, входами блока измерения постоянной составляющей и измерителя и первым входом блока синхронизации, второй выход приемника излучения соединен с вторым и третьим:.входами коммутатор первый и второй выходы которого соединены с входом частотомера, третий выход — с четвертым входом коммутатора и первым входом сумматора, четвертый выход — с первым вынодом запоминающего конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства„ выход сумматора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, синхровход которого подключен к выходу управляемого тактового генератора, нход последнего подключен к выходу измерителя, входу первого инвертора, управляющему входу блока синхронизации и первому управляющему нходу коммутатора, второй управляющий вход которого подключен к выходу первого инвертора, третий управляющий вход — к выходу второго инвертора, вход нторого инвертора соединен с выходом блока синхронизации и с четвертым управляющим входом коммутатора, синхровход управляемого тактового генератора соединен с выходом частотомера, а выход блока измерений постоянной составляющей соединен с вторыми входами сумматора и блока синхронизации, причем датчик выполнен в виде плоскопараллельного стеклянного диска с показателем преломления и, на основаниях которого нанесен материал с показателем преломления n (и, при этом на основании плоскопараллельного стеклянного диска, обращенного в сторону монохроматического излучения, выполнено кольцевое окно для ввода и вывода его излучения, а приемник излучения оптически связан с источником монохрома-тического излучения через фокусирующую линзу, второе полупрозрачное зеркало, датчик и первое полупрозрачное зеркало, а также фокусирующую линзу, второе полупрозрачное зеркало, зеркало и первое полупрозрачное зеркало.