Устройство для измерения неравномерности скорости вращения вала

 

Использование: в измерительной технике, например для измерения неравномерности частоты вращения вала двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: наличие в устройстве счетчиков импульсов, схемы сравнения, задающего элемента, триггера совпадения, элемента совпадения и генератора импульсов времени, связанных соответствующим образом между собой и другими элементами устройства, позволяет автоматически определить среднюю за цикл работы двигателя частоту вращения коленчатого вала, что уменьшает трудоемкость и повышает точность определения неравномерности частоты вращения вала. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике.

Известное устройство для измерения неравномерности скорости вращения вала [1] содержит 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 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 коэффициенты неравномерности хода δ, который определяют по формуле δ = где ω_max,ω_min,ω_cp - величины наибольшей, наименьшей и средней угловой скоростей 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 измерений 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 сравнения действительной и заданной частот вращения, уменьшает точность определения неравномерности частоты вращения, поскольку она измеряется 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 известное 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 частот 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 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, дополнительно введены первый и второй счетчики импульсов, схема сравнения, задающий элемент, третий триггер совпадения, пятый элемент совпадения и генератор импульсов времени, причем вход первого счетчика импульсов подключен к выходу третьего элемента совпадения, а выход - к одному из входов схемы сравнения, второй вход которой соединен с выходом задающего элемента, а выход подключен к одному из входов третьего триггера совпадения, второй вход которого соединен с первым выходом коммутатора временных интервалов, а выход - с одним из входов пятого элемента совпадения, второй вход которого подключен к выходу генератора импульсов времени, а выход соединен с входом второго счетчика импульсов.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 изображена конструктивная схема датчика для измерения неравномерности частоты вращения вала; на фиг.3 приведен датчик, вид сбоку.

Устройство для измерения неравномерности скорости вращения вала содержит датчик 1 (см. фиг.1), выполненный из диска 2 (см. фиг.2) с метками 3 (см. фиг.3), по одну сторону которого размещены источники 4 света (см. фиг. 2), а по другую - чувствительные элементы 5 и 6, выходы датчика 1 (см. фиг. 1) соединены с усилителями 7 и 8, выход усилителя 7 подключен через последовательно соединенные блок 9 сравнения действительной и заданной частот 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 последовательно соединенные триггер 14 запуска и элемент 16 совпадения - к входу коммутатора 17 временных интервалов, регистрирующие блоки 18, триггер 19 запрета, элемент 20 совпадения, входы регистрирующих блоков 18 подключены к выходам коммутатора 17 временных интервалов, последний выход которого через последовательно соединенные триггер 19 запрета и элемент 20 совпадения подключен к второму входу элемента 16 совпадения, а выход усилителя 8 соединен с вторым входом элемента 20 совпадения, счетчики 21 и 22 импульсов, схему 23 сравнения, задающий элемент 24, триггер 25 совпадения, элемент 26 совпадения и генератор 27 импульсов времени, вход счетчика 21 импульсов подключен к выходу элемента 16 совпадения, а выход - к одному из входов схемы 23 сравнения, второй вход которой соединен с выходом задающего элемента 24, а выход подключен к одному из входов триггера 25 совпадения, второй вход которого соединен с первым выходом коммутатора 17 временных интервалов, а выход - с одним из входов элемента 26 совпадения, второй вход которого подключен к выходу генератора 27 импульсов времени, а выход соединен с входом счетчика 22 импульсов.

Датчик 1 содержит вал 28 (см. фиг.2) с укрепленным на нем диском 2, источники 4 света, чувствительный элемент 5 промежуточных меток 3 (см. фиг. 3), опорный чувствительный элемент 6 (см. фиг.2), маркерную щель 29 (см. фиг. 3) и промежуточные метки 3. Чувствительный элемент 6 в течение одного оборота срабатывает один раз от луча света, проходящего только через маркерную щель 29, 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 частот 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, 13 и 25 совпадения, триггер 14 запуска, триггер 19 запрета предназначены для управления работой соответственно элементов 11, 15, 15, 20 и 26 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 25 совпадения служит для закрытия элемента 26 совпадения в момент завершения цикла работы двигателя, то есть двух оборотов 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 19 запрета предназначен для автоматического прекращения прохождения импульсов от чувствительного элемента 5 промежуточных меток диска через элемент 20 совпадения после заполнения информацией всех регистрирующих блоков 18.

Элементы 11, 15, 16, 20 и 26 совпадения служат для выдачи на их выходах положительных сигналов при наличии на выходах управляющих ими соответственно триггеров 10 и 13 совпадения, триггера 14 запуска, триггера 19 запрета и триггера 25 совпадения 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 выходом формирователя 12 импульсов зажигания (момента впрыска) двигателя 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 29 (см. 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 20 совпадения и триггера 14 запуска. Число этих сигналов в пределах одного оборота вала определяется числом меток 3 на диске 2 датчика 1. Элемент 20 совпадения выдает сигнал на выходе при наличии на его входах сигналов с выходов усилителя 8 и триггера 19 запрета. Элемент 26 совпадения служит для сообщения и разобщения счетчика 22 импульсов с генератором 27 импульсов времени.

Коммутатор 17 временных интервалов служит для распределения измеряемых временных интервалов по нескольким (в данном случае восьми) независимым каналам и соответствующим регистрирующим блокам 18, причем каждый временной интервал образован импульсами, сформированными двумя смежными промежуточными метками 3 диска 2 при прохождении ими чувствительного элемента 5. Коммутатор 17 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 18.

Регистрирующие блоки 18 служат для измерения промежутков времени между импульсами, сформированными двумя смежными промежуточными метками диска. Они выполнены в виде четырехразрядных электронных десятичных счетчиков.

Счетчик 21 импульсов предназначен для подсчета числа импульсов с выхода усилителя 7 сигналов промежуточных меток датчика 1 за время цикла работы двигателя. Счетчик 22 импульсов служит для измерения длительности цикла работы двигателя, пропорциональной средней за цикл частоте вращения коленчатого вала. Они выполнены в виде электронных десятичных счетчиков, каждый разряд которых состоит из пересчетного устройства, дешифратора и цифрового индикатора. Счетчик 21 импульсов имеет два разряда, а счетчик 22 импульсов - пять разрядов.

Схема 23 сравнения предназначена для выдачи на выходе сигнала в случае совпадения числа, заданного с помощью задающего элемента 24, с числом, отсчитанным счетчиком 21 импульсов за время цикла работы двигателя. Она выполнена в виде схемы совпадения на два входа, соединенных с выходами соответствующих разрядов задающего элемента 24, и собрана на диодах, включенных параллельно с общей нагрузкой. На выходе схемы совпадения установлен трехкаскадный электронный усилитель.

Задающий элемент 24 служит для предварительного задания числа импульсов, которые должны поступить на вход счетчика 21 импульсов с выхода усилителя 7 сигналов промежуточных меток датчика 1 за время цикла работы двигателя. Он состоит из двух разрядов, каждый из которых выполнен в виде однодискового переключателя на одиннадцать положений с подвижным контактом, к неподвижным контактам которого присоединены выходы дешифратора одной из пересчетных декад счетчика 21 импульсов, а с подвижного контакта снимается выходной сигнал. Каждый разряд задающего элемента 24 позволяет задавать значения чисел от нуля до девяти.

Генератор 27 импульсов времени служит источником электрических колебаний повышенной стабильности с частотой 1 МГц. Генератор выполнен в виде последовательно соединенных задающего узла, эмиттерного повторителя, импульсного усилителя и второго эмиттерного повторителя.

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 29 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. В задающем элементе 24 устанавливается число, превышающее на единицу удвоенное число цилиндров испытуемого двигателя.

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 20 совпадения открыт, элементы 11, 15, 16 и 26 совпадения закрыты, а показания регистрирующих блоков 18 и счетчиков 21 и 22 импульсов погашены на нули. При этом импульсы от чувствительного элемента 5 промежуточных меток 3 вращающегося диска 2, пройдя усилитель 8 и элемент 20 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. Импульсы с выхода генератора 27 импульсов времени также не могут пройти на вход счетчика 22 импульсов вследствие закрытого состояния элемента 26 совпадения.

После снятия сигнала "Сброс" первый импульс от опорного чувствительного элемента 6, 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 29 опорного чувствительного элемента 6, на выходе элемента 15 совпадения выделяется сигнал, который, перебрасывая триггер 14 запуска, открывает элемент 16 совпадения.

Одновременно через усилитель 8 и элемент 20 совпадения проходит первый импульс от чувствительного элемента 5 к коммутатору 17 временных интервалов, который открывает первый регистрирующий блок 18.

Одновременно с этим импульс с выхода элемента 16 совпадения поступает на вход счетчика 21 импульсов, а первый импульс с выхода коммутатора 17 временных интервалов перебрасывает триггер 25 совпадения в противоположное состояние, в результате чего открывается элемент 26 совпадения и импульсы времени с выхода генератора 27 импульсов времени начинают поступать на вход счетчика 22 импульсов.

Второй импульс от чувствительного элемента 5 закрывает первый регистрирующий блок 18 и одновременно открывает второй. При этом первый регистрирующий блок 18 фиксирует время прохождения первого углового интервала диска датчика, второй - время прохождения второго углового интервала диска и т. д. Описанный процесс продолжается до окончания цикла работы двигателя. В этот момент на выходе коммутатора 17 временных интервалов выделяется последний импульс, который закрывает последний регистрирующий блок 18 и поступает на вход триггера 19 запрета. Триггер 19 запрета перебрасывается в противоположное состояние, и элемент 20 совпадения закрывается. При этом импульсы от чувствительного элемента 5 не имеют доступа к коммутатору 17 временных интервалов, что исключает повторное открытие регистрирующих блоков 18. Одновременно с выделением на выходе коммутатора 17 временных интервалов последнего импульса наступает совпадение числа импульсов, подсчитанного счетчиком 21 импульсов, с числом, заданным в задающем элементе 24, что соответствует завершению цикла работы двигателя. При этом на выходе схемы 23 сравнения выделяется сигнал, который возвращает триггер 25 совпадения в исходное состояние, элемент 26 совпадения закрывается и счетчик 22 импульсов останавливается.

Таким образом, по окончании цикла работы двигателя каждый из регистрирующих блоков 18 зафиксирует в соответствии с порядком работы двигателя время прохождения диском датчика соответствующего углового интервала, пропорциональное часто- те вращения вала в пределах этого углового интервала, а счетчик 22 импульсов - время цикла работы двигателя, пропорциональное средней за цикл частоте вращения коленчатого вала.

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 с вторым входом четвертого элемента совпадения, отличающееся тем, что в него введены два счетчика импульсов, схема сравнения, задающий элемент, третий триггер совпадения, пятый элемент совпадения и генератор импульсов времени, при этом вход первого счетчика импульсов соединен с выходом третьего элемента совпадения, а выход - с первым входом схемы сравнения, второй вход которой соединен с выходом задающего элемента, а выход соединен с первым входом третьего триггера совпадения, второй вход которого соединен с первым выходом коммутатора временных интервалов, а выход - с первым входом пятого элемента совпадения, второй вход которого подключен к выходу генератора импульсов времени, а выход соединен с входом второго счетчика импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3