Устройство для измерения неравномерности скорости вращения вала

 

Использование: в измерительной технике, например, для контроля и диагностирования двигателей внутреннего сгорания в процессе их технического обслуживания, ремонта и изготовления. Сущность изобретения: устройство для измерения неравномерности скорости вращения вала содержит датчик, выполненный из диска с метками, источников света и чувствительных элементов, усилители, блок сравнения действительной и заданной частот вращения вала, триггеры совпадения, триггер запуска, триггер запрета, элементы совпадения, формирователь импульсов зажигания для карбюраторных двигателей или импульсов момента впрыска для дизельных двигателей определенного цилиндра, блок делителей частоты импульсов, переключатель, коммутатор временных интервалов, регистрирующие блоки и дополнительный регистрирующий блок. Новым в устройстве является наличие в нем блока делителей частоты импульсов, переключателя и дополнительного регистрирующего блока, связанных соответствующим образом между собой и с другими элементами устройства. Это позволяет упростить измерение средней за цикл работы двигателя частоты вращения коленчатого вала, а следовательно, и упростить устройство для измерения неравномерности скорости вращения вала в целом. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения неравномерности скорости вращения вала, и может быть использовано, например, для контроля и диагностирования двигателей внутреннего сгорания в процессе их технического обслуживания, ремонта и изготовления.

Известно устройство для измерения неравномерности скорости вращения вала, содержащее датчик, выполненный из диска с метками, по одну сторону которого размещены источники света, а по другую - чувствительные элементы, выходы датчика соединены с усилителями, выход первого усилителя через последовательно соединенные триггер запуска и элемент совпадения подключен к входу коммутатора временных интервалов, регистрирующие блоки, триггер запрета и дополнительный элемент совпадения, причем входы регистрирующих блоков подключены к выходам коммутатора временных интервалов, последний выход которого через последовательно соединенные триггер запрета и дополнительный элемент совпадения подключен к второму входу элемента совпадения, выход второго усилителя соединен с вторым входом дополнительного элемента совпадения [1].

Недостатками известного устройства являются недостаточная точность и сравнительно большая трудоемкость определения неравномерности скорости вращения вала вследствие невозможности ее измерения при определенном заданном значении частоты вращения и отсутствия синхронизации начала измерения с одним и тем же тактом цикла работы определенного цилиндра двигателя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения неравномерности скорости вращения вала [2], содержащее датчик, выполненный из диска с метками, по одну сторону которого размещены источники света, а по другую - чувствительные элементы, выходы датчика соединены с первым и вторым усилителями, выход первого усилителя через последовательно соединенные блок сравнения действительной и заданной частоты вращения вала и первый триггер совпадения подключен к одному из входов первого элемента совпадения, второй вход которого соединен с выходом формирователя импульсов зажигания для карбюраторных двигателей или импульсов момента впрыска для дизельных двигателей опреде- ленного цилиндра, второй триггер совпадения, триггер запуска, второй и третий элементы совпадения, выход первого элемента совпадения соединен через второй триггер совпадения с одним из входов второго элемента совпадения, второй вход которого подключен к выходу первого усилителя, а выход через последовательно соединенные триггер запуска и третий элемент совпадения - к входу коммутатора временных интервалов, регистрирующие блоки, триггер запрета и четвертый элемент совпадения, причем входы регистрирующих блоков подключены к выходам коммутатора временных интервалов, последний выход которого через последовательно соединенные триггер запрета и четвертый элемент совпадения подключен к второму входу третьего элемента совпадения, а выход второго усилителя соединен с вторым входом четвертого элемента совпадения.

Описанное устройство позволяет в пределах одного цикла работы двигателя и при определенном заданном значении частоты вращения коленчатого вала измерять его мгновенные угловые скорости в нескольких непрерывно следующих друг за другом угловых интервалах с синхронизацией начала измерения с одним и тем же тактом цикла работы определенного цилиндра. По полученным значениям угловых скоростей определяют неравномерность частоты вращения коленчатого вала двигателя и делают заключение о техническом состоянии как двигателя в целом, так и отдельных его цилиндров. При этом неравномерность частоты вращения коленчатого вала двигателя оценивают коэффициентом неравномерности хода δ, который определяют по формуле δ = , где ω_макс,ω_мин,ω_ср - величины наибольшей, наименьшей и средней угловой скорости коленчатого вала в пределах цикла работы двигателя.

Недостатками этого устройства являются сравнительно большая трудоемкость и недостаточная точность определения неравномерности частоты вращения вала вследствие невозможности непосредственного измерения средней за цикл работы двигателя частоты вращения коленчатого вала и необходимости получения этой величины путем суммирования результатов, полученных с помощью всех регистрирующих блоков. Использование в качестве средней за цикл работы двигателя угловой скорости коленчатого вала, задаваемой в блоке 9 (см. фиг. 1) сравнения действительной и заданной частоты вращения, уменьшает точность определения неравномерноcти чаcтоты вращения, поcкольку она измеряетcя не за цикл работы двигателя, а за один оборот вала, который предшествует измеряемому циклу и, следовательно, не соответствует действительной частоте вращения в пределах измеряемого цикла работы двигателя.

Целью изобретения является уменьшение трудоемкости и повышение точности определения неравномерности частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания в пределах цикла его работы за счет автоматического измерения среднего за цикл работы двигателя значения угловой скорости коленчатого вала.

Цель достигается тем, что в устройство для измерения неравномерности скорости вращения вала, содержащее датчик, выполненный из диска с метками, по одну сторону которого размещены источники света, а по другую - чувствительные элементы, выходы датчика соединены с первым и вторым усилителями, выход первого усилителя через последовательно соединенные блок сравнения действительной и заданной частоты вращения вала и первый триггер совпадения подключен к одному из входов первого элемента совпадения, второй вход которого соединен с выходом формирователя импульсов зажигания для карбюраторных двигателей или импульсов момента впрыска для дизельных двигателей определенного цилиндра, второй триггер совпадения, триггер запуска, второй и третий элементы совпадения, выход первого элемента совпадения соединен через второй триггер совпадения с одним из входов второго элемента совпадения, второй вход которого подключен к выходу первого усилителя, а выход через триггер запуска - к одному из входов третьего элемента совпадения, регистрирующие блоки, триггер запрета и четвертый элемент совпадения, входы регистрирующих блоков подключены к выходам коммутатора временных интервалов, последний выход которого через последовательно соединенные триггер запрета и четвертый элемент совпадения подключен к второму входу третьего элемента совпадения, а выход второго усилителя соединен с вторым входом четвертого элемента совпадения, дополнительно введены блок делителей частоты импульсов, переключатель и дополнительный регистрирующий блок, причем вход блока делителей частоты импульсов подключен к выходу третьего элемента совпадения, а выходы соединены с входами переключателя, выход которого подключен к входу коммутатора временных интервалов, один вход дополнительного регистрирующего блока подключен к первому, а другой - к последнему выходам коммутатора временных интервалов.

Устройство для измерения неравномерности скорости вращения вала (фиг.1) содержит датчик 1, выполненный из диска 2 (фиг.2) с метками 3 (фиг.3), по одну сторону которого размещены источники 4 света (фиг.2), а по другую - чувствительные элементы 5 и 6, выходы датчика 1 (фиг.1) соединены с усилителями 7 и 8, выход усилителя 7 подключен через последовательно соединенные блок 9 сравнения действительной и заданной частоты вращения вала и триггер 10 совпадения к одному из входов элемента 11 совпадения, второй вход которого соединен с выходом формирователя 12 импульсов зажигания для карбюраторных двигателей или импульсов момента впрыска для дизельных двигателей определенного цилиндра, триггер 13 совпадения, триггер 14 запуска, элементы 15 и 16 совпадения, выход элемента 11 совпадения соединен через триггер 13 совпадения с одним из входов элемента 15 совпадения, второй вход которого подключен к выходу усилителя 7, а выход через триггер 14 запуска - к одному из входов элемента 16 совпадения, блок 17 делителей частоты импульсов, переключатель 18, коммутатор 19 временных интервалов, вход блока 17 делителей частоты импульсов подключен к выходу элемента 16 совпадения, а выходы соединены с входами переключателя 18, выход которого подключен к входу коммутатора 19 временных интервалов, регистрирующие блоки 20, дополнительный регистрирующий блок 21, триггер 22 запрета и элемент 23 совпадения, входы регистрирующих блоков 20 подключены к выходам коммутатора 19 временных интервалов, последний выход которого через последовательно соединенные триггер 22 запрета и элемент 23 совпадения подключен к второму входу элемента 16 совпадения, а выход усилителя 8 соединен с вторым входом элемента 23 совпадения, один вход дополнительного регистрирующего блока 21 подключен к первому, а другой - к последнему выходам коммутатора 19 временных интервалов.

Датчик 1 содержит вал 24 (фиг.2) с укрепленным на нем диском 2, источники 4 света, чувствительный элемент 5 промежуточных меток (фиг.3), опорный чувствительный элемент 6 (фиг.2), маркерную щель 25 (фиг.3) и промежуточные метки 3. Чувствительный элемент 6 в течение одного оборота срабатывает один раз от луча света, проходящего только через маркерную щель 25, а чувствительный элемент 5 - несколько раз от луча света, проходящего через промежуточные метки 3, расположенные через одинаковые угловые интервалы. Таким образом, датчик 1 предназначен для получения нескольких импульсов в пределах одного оборота, число которых определяется числом промежуточных меток на диске, а также одного импульса в течение одного оборота вала.

Усилители 7 и 8 предназначены для усиления поступающих на их входы сигналов датчика 1, ограничения по амплитуде и формирования по длительности. Они выполнены в виде однокаскадных электронных усилителей.

Блок 9 сравнения действительной и заданной частоты вращения вала предназначен для слежения за величиной частоты вращения, сравнения ее с заданной и выдачи сигнала в момент совпадения действительной и заданной частот вращения. Он выполнен в виде цифрового измерителя времени, непрерывно измеряющего длительность оборота вала, задающего устройства, сравнивающего устройства и логического узла, причем входы сравнивающего устройства подключены к соответствующим разрядам цифрового измерителя и задающего устройства, а выход соединен с входом логического узла.

Триггеры 10 и 13 совпадения, триггер 14 запуска и триггер 22 запрета предназначены для управления работой соответственно элементов 11, 15, 16 и 23 совпадения. Все триггеры выполнены с раздельными входами. Триггер 10 совпадения служит для открытия элемента 11 совпадения в момент совпадения действительной и заданной частот вращения вала. Триггер 13 совпадения предназначен для открытия элемента 15 совпадения в момент прихода импульса зажигания (момента впрыска) двигателя после совпадения действительной и заданной частот вращения вала. Триггер 14 запуска предназначен для открытия элемента 16 совпадения в момент прихода импульса с выхода усилителя 7 после совпадения действительной и заданной частот вращения вала и прихода импульса зажигания (момента впрыска) двигателя. Триггер 22 запрета предназначен для автоматического прекращения прохождения импульсов от чувствительного элемента 5 промежуточных меток диска через элемент 23 совпадения после заполнения информацией всех регистрирующих блоков 20.

Элементы 11, 15, 16 и 23 совпадения служат для выдачи на их выходах положительных сигналов при наличии на выходах управляющих ими соответственно триггеров 10 и 13 совпадения, триггера 14 запуска и триггера 22 запрета отрицательных сигналов. Они выполнены в виде транзисторных схем совпадения на два входа каждая. Элемент 11 совпадения выдает сигнал на выходе при наличии на его входах сигналов с выходов формирователя 12 импульсов зажигания (момента впрыска) двигателей определенного цилиндра и триггера 10 совпадения, что имеет место при совпадении действительной и заданной частот вращения и наличии в определенном цилиндре двигателя определенного такта цикла его работы. Элемент 15 совпадения служит для выдачи сигнала на выходе при наличии на его входах сигналов с выходов триггера 13 совпадения и усилителя 7, что имеет место при совпадении действительной и заданной частот вращения вала, наличии в определенном цилиндре двигателя определенного такта его работы и положении вала двигателя, определяемом маркерной щелью 25 (фиг. 3) диска датчика (удобнее всего за это положение вала двигателя принимать положение, соответствующее верхней мертвой точке конца такта сжатия первого цилиндра). Элемент 16 совпадения предназначен для выдачи на выходе сигнала при наличии на его входах сигналов с выходов элемента 23 совпадения и триггера 14 запуска. Число этих сигналов в пределах одного оборота вала определяется числом меток 3 на диске 2 датчика 1. Элемент 23 совпадения выдает сигнал на выходе при наличии на его входах сигналов с выходов усилителя 8 и триггера 22 запрета.

Блок 17 делителей частоты импульсов служит для деления на соответствующее число частоты импульсов, поступающих на его вход с выхода элемента 16 совпадения. Он включает в себя пересчетные устройства на два, четыре, шесть и восемь. Устройства пересчета на два, четыре и восемь состоят соответственно из одного, двух последовательно соединенных и трех последовательно соединенных триггеров со счетными входами. Устройство пересчета на шесть состоит из трех последовательно соединенных триггеров, причем первый и третий триггеры имеют счетный вход, а второй триггер - раздельные входы. Для обеспечения пересчета на шесть второй и третий триггеры охвачены обратной связью. Соединены триггеры в следующем порядке: выходы первого триггера соединен с одним из входов второго триггера и счетным входом третьего триггера, а выход третьего триггера соединен с другим входом второго триггера и выходом устройства.

Переключатель 18 предназначен для подключения коммутатора 19 временных интервалов к соответствующему выходу блока 17 делителей частоты импульсов. Он имеет четыре входа и один выход.

Коммутатор 19 временных интервалов служит для распределения измеряемых временных интервалов по нескольким (в данном случае восьми) независимым каналам и соответствующим регистрирующим блокам 20, причем каждый временной интервал образован импульсами, сформированными двумя смежными промежуточными метками 3 диска 2 при прохождении ими чувствительного элемента 5. Коммутатор 19 временных интервалов представляет собой двоичный триггерный счетчик, выходы которого подключены к входам диодной матрицы, которая последовательно дает разрешение на открытие и закрытие соответствующего регистрирующего блока 20.

Регистрирующие блоки 20 служат для измерения промежутков времени между импульсами, сформированными двумя смежными промежуточными метками диска. Они выполнены в виде четырехразрядных электронных десятичных счетчиков.

Дополнительный регистрирующий блок 21 предназначен для измерения длительности цикла работы двигателя, пропорциональной средней за цикл частоте вращения коленчатого вала. Он выполнен в виде шестиразрядного электронного десятичного счетчика.

Устройство работает следующим образом (на примере восьмицилиндрового двигателя). Перед началом измерения поршень определенного цилиндра (как правило, первого) двигателя устанавливается в положение, соответствующее верхней мертвой точке конца такта сжатия. В это же положение устанавливается и датчик 1 путем совмещения маркерной щели 25 с опорным чувствительным элементом 6. С помощью задающего устройства блока 9 задается значение угловой скорости коленчатого вала двигателя, при которой необходимо произвести измерение неравномерности частоты вращения вала. Переключатель 18 устанавливается в зависимости от дискретности датчика 1 в положение, при котором число угловых интервалов, образованных импульсами с выхода блока 17 делителей частоты импульсов, соответствует числу регистрирующих блоков 20 (в данном случае дискретность датчика составляет восемь угловых интервалов за один оборот коленчатого вала, число регистрирующих блоков 20 равно восьми, следовательно, переключатель 18 устанавливается в положение, при котором частота импульсов, поступающих на вход блока 17 делителей частоты импульсов, делится на два).

После подключения устройства к двигателю и датчику 1, запуска двигателя, подачи питающих устройство напряжений и сигнала "Сброс" все узлы приходят в исходное состояние (см. фиг.1), при котором элемент 23 совпадения открыт, элементы 11, 15 и 16 совпадения закрыты, а показания регистрирующих блоков 20 и дополнительного регистрирующего блока 21 погашены на нули. При этом импульсы от чувствительного элемента 5 промежуточных меток 3 вращающегося диска 2, пройдя усилитель 8 и элемент 23 совпадения, поступают на вход элемента 16 совпадения, который их не пропускает. Импульсы от опорного чувствительного элемента 6 проходят усилитель 7 и поступают на вход блока 9 сравнения действительной и заданной частот вращения вала. Сигналы с выхода формирователя 12 импульсов зажигания (момента впрыска) двигателя поступают на вход элемента 11 совпадения, который находится в закрытом состоянии.

После снятия сигнала "Сброс" первый импульс от опорного чувствительного элемента, пройдя усилитель 7, открывает цифровой измеритель времени блока 9, который фиксирует длительность одного оборота вала. В случае несовпадения частоты вращения вала с заданной показания измерителя времени сбрасываются на нули и на выходе блока 9 сигнал не выделяется.

Постепенно увеличивая частоту вращения вала, добиваются момента, когда действительная частота вращения совпадает с заданной. В результате этого на выходе блока 9 появляется сигнал, который, воздействуя на триггер 10 совпадения, открывает элемент 11 совпадения.

С приходом с выхода формирователя 12 сигнала, соответствующего моменту зажигания или впрыска топлива в первом цилиндре двигателя, элемент 11 совпадения выделяет на выходе сигнал, который переключает триггер 13 совпадения. Выделяющееся при этом на его выходе напряжение поступает на один из входов элемента 15 совпадения и открывает его. В момент прихода через некоторый промежуток времени на второй вход элемента 15 совпадения сигнала с выхода усилителя 7, соответствующего моменту прохождения маркерной щелью 25 опорного чувствительного элемента 6, на выходе элемента 15 совпадения выделяется сигнал, который, перебрасывая триггер 14 запуска, открывает элемент 16 совпадения.

Одновременно импульсы от чувствительного элемента 5 через усилитель 8 и элемент 23 совпадения поступают на вход блока 17 делителей частоты импульсов. Первый импульс с выхода блока 17 делителей частоты импульсов через переключатель 18 проходит к коммутатору 19 временных интервалов, который открывает первый регистрирующий блок 20 и дополнительный регистрирующий блок 21. Второй импульс с выхода блока 17 делителей частоты импульсов закрывает первый регистрирующий блок 20 и одновременно открывает второй. При этом первый регистрирующий блок 20 фиксирует время первого углового интервала, образованного двумя смежными импульсами с выхода блока 17 делителей частоты импульсов, второй - время прохождения второго углового интервала и т.д. Описанный процесс продолжается до окончания цикла работы двигателя. В этот момент на выходе коммутатора 19 временных интервалов выделяется последний импульс, который закрывает последний регистрирующий блок 20 и дополнительный регистрирующий блок 21 и поступает на вход триггера 22 запрета. Триггер 22 запрета перебрасывается в противоположное состояние и элемент 23 совпадения закрывается. При этом импульсы от чувствительного элемента 5 не имеют доступа к коммутатору 19 временных интервалов, что исключает повторное открытие регистрирующих блоков 20 и дополнительного регистрирующего блока 21.

Таким образом, по окончании цикла работы двигателя каждый из регистрирующих блоков 20 зафиксирует время поворота коленчатого вала на соответствующий угловой интервал, пропорциональное частоте вращения коленчатого вала в пределах этого интервала, а дополнительный регистрирующий блок 21 - время цикла работы двигателя, пропорциональное средней за цикл частоте вращения коленчатого вала. По полученным результатам определяют коэффициент неравномерности частоты вращения и делают заключение о неравномерности вращения коленчатого вала двигателя.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕРАВНОМЕРНОСТИ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА, содержащее датчик в виде диска с метками, по одну сторону которого размещены источники света, а по другую - чувствительные элементы, два усилителя, формирователь импульсов, блок сравнения, два триггера совпадения, четыре элемента совпадения, триггер запуска, триггер запрета, коммутатор временных интервалов и регистрирующие блоки, причем выходы датчика соединены с входами усилителей, выход первого усилителя подключен через последовательно соединенные блок сравнения и первый триггер совпадения к первому входу первого элемента совпадения, второй вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, а выход соединен через второй триггер совпадения с первым входом второго элемента совпадения, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя, а выход через последовательно соединенные триггер запуска и третий элемент совпадения - с входом коммутатора временных интервалов, входы регистрирующих блоков подключены к выходам коммутатора временных интервалов, последний выход которого через последовательно соединенные триггер запрета и четвертый элемент совпадения подключен к второму входу третьего элемента совпадения, а выход второго усилителя соединен со вторым входом четвертого элемента совпадения, отличающееся тем, что в него введены блок делителей частоты импульсов, переключатель и дополнительный регистрирующий блок, при этом вход блока делителей частоты импульсов соединен с выходом третьего элемента совпадения, а выходы- с входами переключателя, выход которого подключен к входу коммутатора временных интервалов, первый выход которого соединен с первым входом, а последний выход - с вторым входом дополнительного регистрирующего блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3