СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПАСНЫХ ВИБРАЦИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01H11/06 

Изобретение относится к измерению механических колебаний и может быть использовано в системах автоматики и сигнализации, а именно для определения опасных вибраций при воздействии их на человека.

Известен способ определения порогового значения вибрации, заключающийся в перемещении электропроводного шарика по поверхности полого конуса при воздействии вибрации, выдачи сигнала, пропорционального пороговому значению при достижении электропроводным шариком вершины усеченного полого конуса и срабатывании вследствие этого двух электроконтактов /1/.

Известен вибрационный пороговый датчик, содержащий немагнитный корпус с крышкой, размещенный в нем инерционный элемент в виде электропроводного шарика, и два изолированных один от другого электроконтакта, один из которых выполнен в виде усеченного полого конуса и закреплен на крышке, другой электроконтакт, закрепленный на корпусе, выполнен в виде полого конуса и обращен основанием к основанию усеченного конуса /1/.

Недостатком данного датчика является сужение эксплуатационных возможностей из-за определения только порога перегрузки и невозможности определения текущей величины и направления перегрузки.

Наиболее близким к изобретению является способ определения параметров вибраций, заключающийся в определении порогового значения вибрации при перемещении электропроводного шарика по поверхности полого конуса при воздействии вибрации и срабатывания двух электроконтактов при достижении электропроводного шарика вершины усеченного полого конуса, определении направления воздействия за счет срабатывания определенного сектора электроконтакта, размещенного в вершине усеченного полого конуса, определении величины перегрузки в виде выражения

где L - расстояние между фиксированными положениями электроконтактов, α - угол образующих полого конуса, t - временной интервал, пропорциональный скорости перемещения электропроводного шарика между двумя фиксированными положениями электроконтактов, g - ускорение свободного падения.

Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее вибрационный датчик, вычислитель, индикатор направления перегрузки, индикатор величины перегрузки, вибрационный датчик состоит из немагнитного конусообразного корпуса с крышкой, размещенной в вершине корпуса, инерционного элемента, выполненного в виде электропроводного шарика, первого электроконтакта, выполненного в виде усеченного полого конуса, закрепленного на крышке корпуса, второго электроконтакта, выполненного в виде полого конуса, размещенного по боковой поверхности корпуса так, что его основание обращено к нижнему основанию усеченного конуса первого электроконтакта и параллельно ему, изолированных между собой центрального и кольцевого электроконтактов, центральный электроконтакт размещен в вершине конуса второго электроконтакта и изолирован от него, кольцевой электроконтакт размещен по периметру вершины конуса второго электроконтакта и изолирован от него, первый электроконтакт выполнен в виде изолированных друг от друга секторов, выводы которых образуют первую группу выходов датчика, вторым выходом которого является вывод кольцевого электроконтакта, центральный и второй электроконтакты соединены с положительным выводом источника питания, первая группа входов и второй вход вычислителя соединены соответственно с первой группой выходов и вторым выходом датчика, первая группа выходов вычислителя соединена с группой входов индикатора направления перегрузки, второй выход с входом индикатора перегрузки, вычислитель содержит группу из n-триггеров, где n - число секторов первого электроконтакта вибрационного датчика, первый, второй и третий элементы И, инвертор, генератор импульсов, дифференцирующую цепь, счетчик импульсов, умножитель, делитель, задатчик постоянной величины и кнопку "Установка О", причем информационные входы триггеров соединены с соответствующими входами первой группы входов вычислителя, второй вход которого через инвертор соединен с входом дифференцирующей цепи и первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход - с информационным входом счетчика, входы обнуления триггеров и счетчика импульсов объединены и через кнопку "Установка О" соединены с плюсовой шиной источника питания, прямые выходы триггеров являются соответствующими выходами первой группы выходов вычислителя, а инверсные выходы соединены с соответствующими входами группы п входов первого элемента И, вход второго соединен с третьим входом второго элемента И и вторым входом третьего элемента И, первый вход которого соединен с выходом дифференцирующей цепи, а выход - с входом обнуления счетчика импульсов, выход которого соединен с первым и вторым входами умножителя, выход которого соединен с первым входом делителя, второй вход которого соединен с выходом задатчика постоянной величины, а выход является вторым выходом вычислителя.

Недостатком данных способа и устройства является невозможность определения опасных вибрационных воздействий на человека, характеризующихся следующими параметрами: частотой, интенсивностью, направлением и продолжительностью воздействий.

Технической задачей изобретения является расширение области применения.

Сущность изобретения заключается в способе определения опасных вибраций при определении порогового значения вибрации при перемещении электропроводного шарика по поверхности полого конуса при воздействии вибрации и срабатывании двух электроконтактов при достижении электропроводного шарика вершины усеченного полого конуса, определении направлении воздействия за счет срабатывании определенного сектора электроконтакта, размещенного в вершине усеченного полого конуса, определении величины перегрузки в виде выражения

где L - расстояние между фиксированными положениями электроконтактов, α - угол образующих полого конуса, t - временной интервал, пропорциональный скорости перемещения электропроводного шарика между двумя фиксированными положениями электроконтактов, g - ускорение свободного падения, дополнительно осуществляют селекцию вибрационного воздействия на объект исследования по частоте, интенсивности и длительности действия, определяют опасную вибрацию при соответствии текущих значений частоты, интенсивности и длительности воздействия вибрации заданной комбинации данных параметров и осуществляют ее индикацию.

Заявляемый способ реализуется в устройстве определения опасных вибраций, которое содержит вибрационный датчик, вычислитель, индикатор направления перегрузки, индикатор величины перегрузки, вибрационный датчик состоит из немагнитного конусообразного корпуса с крышкой, размещенной в вершине корпуса, инерционного элемента, выполненного в виде электропроводного шарика, первого электроконтакта, выполненного в виде усеченного полого конуса, закрепленного на крышке корпуса, второго электроконтакта, выполненного в виде полого конуса, размещенного по боковой поверхности корпуса так, что его основание обращено к нижнему основанию усеченного конуса первого электроконтакта и параллельно ему, изолированных между собой центрального и кольцевого электроконтактов, центральный электроконтакт размещен в вершине конуса второго электроконтакта и изолирован от него, кольцевой электроконтакт размещен по периметру вершины конуса второго электроконтакта и изолирован от него, первый электроконтакт выполнен в виде изолированных друг от друга секторов, выводы которых образуют первую группу выходов датчика, вторым выходом которого является вывод кольцевого электроконтакта, центральный и второй электроконтакты соединены с положительным выводом источника питания, первая группа входов и второй вход вычислителя соединены соответственно с первой группой выходов и вторым выходом датчика, первая группа выходов вычислителя соединена с группой входов индикатора направления перегрузки, второй выход - с входом индикатора перегрузки, вычислитель содержит группу из n-триггеров, где n - число секторов первого электроконтакта вибрационного датчика, первый, второй и третий элементы И, инвертор, генератор импульсов, дифференцирующую цепь, счетчик импульсов, умножитель, делитель, задатчик постоянной величины, причем информационные входы триггеров соединены с соответствующими входами первой группы входов вычислителя, второй вход которого через инвертор соединен с входом дифференцирующей цепи и первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов, а выход - с информационным входом счетчика, входы обнуления триггеров и счетчика импульсов объединены с обеспечением возможности подачи на них сигналов с плюсовой шины источника питания, прямые выходы триггеров являются соответствующими выходами первой группы выходов вычислителя, а инверсные выходы соединены с соответствующими входами группы п - входов первого элемента И, выход которого соединен с третьим входом второго элемента И и вторым входом третьего элемента И, первый вход которого соединен с выходом дифференцирующей цепи, а выход третьего элемента И соединен с входом обнуления счетчика импульсов, выход которого соединен с первым и вторым входами умножителя, выход которого соединен с первым входом делителя, второй вход которого соединен с выходом задатчика постоянной величины, а выход является вторым выходом вычислителя, в которое дополнительно введены блок обработки сигналов и индикатор опасных вибраций, блок обработки сигналов имеет n сдвиговых регистров, n элементов И-НЕ, n четвертых элементов И, n счетчиков, n группу из m - дешифраторов, n элементов ИЛИ, n- пятых элементов И, второй дешифратор, линию задержки, причем прямые выходы триггеров вычислителя соединены через n - сдвиговые регистры, элементы И-НЕ, четвертые элементы И со входами n-счетчиков, выходы n-счетчиков, через n_m - дешифраторы, элементы ИЛИ соединены с первыми входами n-пятых элементов И, вторые входы которых объединены и соединены через линию задержки, второй дешифратор с выходом делителя, третьи входы четвертых элементов И соединены с выходом генератора импульсов, выходы n-пятых элементов И являются выходами блока обработки сигналов и соединены с входами индикатора опасных вибраций.

Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, является следующая совокупность действий.

1. Осуществление селекции вибрационного воздействия на объект исследования по частоте, интенсивности и длительности действия.

2. Определение опасной вибрации при соответствии текущих параметров частоты, интенсивности и длительности воздействия вибрации заданной комбинации данных параметров.

Существенными отличительными признаками по устройству являются индикатор опасных вибраций и блок обработки сигналов.

Проведенный заявителем поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения.

Сравнение с прототипом позволило установить совокупность существенных по отношению к техническому результату отличительных признаков в заявляемых способе и устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, изобретение соответствует условию «новизна».

Для определения изобретательского уровня заявляемой группы изобретений заявитель провел дополнительный поиск известных решений для выявления в них признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемых способа и устройства для определения опасных вибраций, и сделал вывод, что они явным образом не следуют из уровня техники и соответствуют критерию «изобретательский уровень».

Использование всех новых признаков обеспечивает достижение технического результата изобретения, а именно расширение области применения способа за счет возможности определения опасных вибраций на основе выявления заданной комбинации параметров (частоты, интенсивности, длительности, направления) вибрационного воздействия на объект исследования, имеющий непосредственный контакт с человеком.

На фиг.1 приведена конструктивная схема вибрационного датчика; на фиг.2 - то же, план; на фиг.3 - структурная схема электрической части устройства определения опасной вибрации, на фиг.4 - структурная схема блока обработки сигнала, на фиг.5 - временная диаграмма работы устройства.

Устройство определения опасных вибрации содержит вибрационный датчик 1, вычислитель 2, индикатор 3 направления перегрузки, индикатор 4 величины перегрузки, вибрационный датчик 1 состоит из немагнитного конусообразного корпуса 5 с крышкой 6, размещенной в вершине корпуса, инерционного элемента 7, выполненного в виде электропроводного шарика, первого 8 электроконтакта, выполненного в виде усеченного полого конуса, закрепленного на крышке корпуса, второго 9 электроконтакта, выполненного в виде полого конуса, размещенного по боковой поверхности корпуса так, что его основание обращено к нижнему основанию усеченного конуса первого 8 электроконтакта и параллельно ему, изолированных между собой центрального 10 и кольцевого 11 электроконтактов, центральный 10 электроконтакт размещен в вершине конуса второго 9 электроконтакта и изолирован от него, кольцевой 11 электроконтакт размещен по периметру вершины конуса второго 9 электроконтакта и изолирован от него, первый 8 электроконтакт выполнен в виде изолированных друг от друга секторов, выводы которых образуют первую группу выходов датчика 1, вторым выходом которого является вывод кольцевого 11 электроконтакта, центральный 10 и второй 9 электроконтакты соединены с положительным выводом источника 12 питания, первая группа входов и второй вход вычислителя 2 соединены соответственно с первой группой выходов и вторым выходом датчика 1, первая группа выходов вычислителя 2 соединена с группой входов индикатора 3 направления перегрузки, второй выход - с входом индикатора 4 величины перегрузки, вычислитель 2 содержит группу из n-триггеров 13, где n -число секторов первого 8 электроконтакта вибрационного датчика, первый 14, второй 15 и третий 16 элементы И, инвертор 17, генератор 18 импульсов, дифференцирующую цепь 19, первый счетчик 20 импульсов, умножитель 21, делитель 22, задатчик 23 постоянной величины, причем информационные входы триггеров 13 соединены с соответствующими входами первой группы входов вычислителя 2, второй вход которого через инвертор 17 соединен с входом дифференцирующей цепи 19 и первым входом второго 15 элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора 18 импульсов, а выход второго элемента И соединен с информационным входом первого 20 счетчика, входы обнуления триггеров 13 и счетчика 20 импульсов объединены с обеспечением возможности подачи на них сигнала с плюсовой шины источника питания, прямые выходы триггеров 13 являются соответствующими выходами первой группы выходов вычислителя 2, а инверсные выходы соединены с соответствующими входами группы п входов первого 14 элемента И, выход которого соединен с третьим входом второго 15 элемента И и вторым входом третьего 16 элемента И, первый вход которого соединен с выходом дифференцирующей цепи 19, а выход третьего элемента И соединен с входом обнуления счетчика 20 импульсов, выход которого соединен с первым и вторым входами умножителя 21, выход которого соединен с первым входом делителя 22, второй вход которого соединен с выходом задатчика 23 постоянной величины, а выход является вторым выходом вычислителя 2, кнопка 24 "Установка "О"" блок 25 обработки сигналов и индикатор 26 опасных вибраций, блок 25 обработки сигналов имеет n - сдвиговых регистров 27, n элементов И-НЕ 28, n четвертых элементов И 29, n вторых счетчиков 30, n_m - дешифраторов 31, n- элементов ИЛИ 32, n- пятых элементов И 33, второй дешифратор 34, линию 35 задержки, причем прямые выходы триггеров 13 вычислителя соединены через п - сдвиговые регистры 27, элементы И-НЕ 28, четвертые элементы И 29 со входами n - счетчиков 30, выходы n - счетчиков 30, через n_m - дешифраторы 31, элементы ИЛИ 32 соединены с первыми входами п - пятых элементов И 33, вторые входы которых объединены и соединены через линию задержки 35, второй 34 дешифратор с выходом делителя 22, третьи входы четвертых элементов И 29 соединены с выходом генератора 18 импульсов, выходы n -пятых элементов И 33 являются выходами блока 25 обработки сигналов и соединены с входами индикатора 26 опасных вибраций.

Наиболее существенное влияние на человека (оператора) оказывает вибрация с частотами 1-30 Гц. В основном, именно в этом диапазоне расположены спектры механической вибрации дорожных и сельскохозяйственных машин. Возбуждение интенсивной вибрации транспортных средств главным образом обусловлено движением по неровным (случайным) поверхностям (автомобильного и рельсового транспорта, наземных строительных и сельскохозяйственных машин и др.) движением по волнам (водного транспорта), движением в турбулентных слоях атмосферы (летательных аппаратов) /3/.

Действие вибрации на организм человека определяется четырьмя основными характеристиками вибрационного процесса: интенсивностью, спектральным составом, длительностью воздействия, направлением действия /3/.

Разработан рабочий макет вибрационного датчика и проведены экспериментальные исследования датчика. На основе полученных результатов доказана работоспособность предлагаемого технического решения и определен частотный диапазон работы датчика до 80 Гц.

Устройство определения опасных вибраций работает следующим образом.

Вибрационный датчик устанавливают на объект контроля (не показано).

При включении устройства сигнал с плюсовой шины поступает на входы обнуления счетчика 20 и группы из n - триггеров 13, при этом сигнал с инверсного выхода триггера 13 поступает на третий вход второго элемента И 15 и на второй вход третьего элемента И 16.

Под воздействием вибрационной перегрузки инерционный элемент 7 в виде электропроводного шарика перемещается в направлении одного из секторов первого 8 электроконтакта, при этом происходит размыкание центрального 10 и кольцевого электроконтакта 11 (фиг.1), при этом сигнал поступает через инвертор 17 на вход дифференцирующей цепи 19, на первый вход второго элемента И 15, на второй вход третьего элемента И 16 (фиг.5а).

С выхода дифференцирующей цепи 19 ( фиг.5б) сигнал через третий элемент И 16 поступает на вход обнуления счетчика 20 импульсов.

С выхода генератора 18 импульсы через третий вход второго элемента И 15 поступают на первый вход счетчика 20.

В дальнейшем, при движении электропроводного шарика 7 происходит замыкание второго 9 и одного из секторов первого 8 электроконтакта, и сигнал поступает на первый вход одного из n - триггеров 13, с прямого и инверсного выходов которых сигналы поступают соответственно на вход индикатора 3 направлений перегрузки и на третий вход второго 15 элемента И, тем самым прекращая подсчет импульсов счетчиком 20.

Кроме того, с прямого выхода триггера 13 сигнал поступает на соответствующий первый вход блока 25 обработки сигналов, на второй вход которого поступает сигнал с выхода делителя 22 пропорциональный величине

.

Формирование сигнала на выходе делителя 22 происходит следующим образом.

С выхода счетчика 20 импульсов сигнал, пропорциональный величине и t, поступает на первый и второй входы умножителя 21, с выхода которого сигнал, пропорциональный величине t², поступает на первый вход делителя 22, на второй вход которого поступает сигнал с выхода задатчика 23, пропорциональный величине .

Таким образом, вычислитель 2 определяет направление и величину перегрузки при однократном вибрационном воздействии.

В момент снятия нагрузки электропроводный шарик 7 возвращается в исходное состояние, замыкая центральный 10 и кольцевой 11 контакты. При дальнейшем вибрационном воздействии происходит повторение цикла измерения параметров вибрации.

Блок 25 обработки сигналов предназначен для определения опасной вибрации путем сравнения текущих параметров вибрации частоты, интенсивности и длительности с заданными значениями.

В момент первого замыкания электропроводным шариком второго 9 и одного из секторов первого 8 электроконтактов сигнал с прямых выходов триггеров 13 вычислителя поступает через сдвиговые регистры 27, элементы И-НЕ 28 на первый и второй входы n четвертых И 27 элементов, за счет выдачи сигнала с первого выхода сдвигового регистра 29, тем самым обеспечивая поступление импульсов с выхода генератора 18 импульсов через третий вход одного из n четвертых 29 элементов И на вход n счетчика 30 (фиг.5г).

В момент второго замыкания электропроводным шариком второго 9 и одного из секторов первого 8 электроконтактов сигнал с прямых выходов триггеров 13 вычислителя поступает через n - сдвиговые регистры 27, элементы И-НЕ 28 на первый и второй входы n четвертых И 29 элементов.

Однако в данном случае за счет поступления сигнала со второго выхода сдвигового регистра на вход элемента И-НЕ происходит снятие импульсов с выхода генератора 18 импульсов через третий вход одного из n четвертых 29 элементов И на вход счетчика 30 (фиг.5г).

Таким образом, за счет подсчета импульсов в интервале времени между первым и вторым срабатыванием первого электроконтакта 8 определяется частота вибрации.

С выхода счетчика 30 сигнал, пропорциональный частоте вибрации, поступает на входы группы n_m - дешифраторов 31, с выходов которых через один из n - элементов ИЛИ 32 (фиг.4, 5д) поступает на первый вход одного из n - элементов И 33, на второй вход которого поступает сигнал со второго выхода вычислителя 2 через второй дешифратор 34, линию 35 задержки (фиг.4, 5з). Сигнал с выхода одного из элементов И 33 поступает на один из входов индикатора 26 опасных вибраций, сигнализируя о наличии опасной вибрации.

Использование заявляемых способа и устройства позволяет расширить область применения за счет автоматического определения вибрационным датчиком опасных вибраций, воздействующих на человека.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1051699, Кл. Н 03 К 5/19, 1982.

2. Патент Российской Федерации №2044286, Кл. G 01 H 17/00, 1995 г. (прототип).

3. Вибрации в технике: Справочник. В 6 -ти т./Ред, совет: В41, В.Н.Челомей (пред.). - M.: Машиностроение, 1981. - Т.6, Защита от вибрации и ударов / Под ред. К.В.Фролова, 1981, 456 с.

Использование: в измерительной технике при определении опасных вибраций для человека, например, при его передвижении на транспорте. Сущность: осуществляют селекцию вибрационного воздействия на объект исследования по частоте, интенсивности и длительности действия, определение опасной вибрации при соответствии текущих параметров вибрации заданной комбинации. Устройство содержит вибрационный датчик, вычислитель, индикатор направления перегрузки, индикатор величины перегрузки, блок обработки сигналов и индикатор опасных вибраций. Датчик содержит инерционный элемент в виде электропроводного шарика и систему электроконтактов. Вычислитель определяет направление и величину перегрузки. Блок обработки сигналов определяет опасную вибрацию путем сравнения текущих значений частоты, интенсивности и длительности вибрации с заданными значениями. Блок обработки содержит сдвиговые регистры, элементы И-НЕ, элементы И, счетчики, группы дешифраторов, элементы ИЛИ, линию задержки. Технический результат: расширение области применения. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения опасных вибраций, заключающийся в определении порогового значения вибрации при перемещении электропроводного шарика по поверхности полого конуса при воздействии вибрации и срабатывании двух электроконтактов при достижении электропроводного шарика вершины усеченного полого конуса, определении направления воздействия за счет срабатывания определенного сектора электроконтакта, размещенного в вершине усеченного полого конуса, определении величины перегрузки в виде выражения

где L - расстояние между фиксированными положениями электроконтактов;

α - угол образующих полого конуса;

t - временной интервал, пропорциональный скорости перемещения электропроводного шарика между двумя фиксированными положениями электроконтактов;

g - ускорение свободного падения,

отличающийся тем, что осуществляют селекцию вибрационного воздействия на объект исследования по частоте, интенсивности и длительности действия, определяют опасную вибрацию при соответствии текущих значений частоты, интенсивности и длительности воздействия вибрации заданной комбинации данных параметров и осуществляют ее индикацию.