ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК G01P3/486 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в тахометрии, например, для измерения угловой скорости вращения гребного винта плавсредства.

Известны измерители скорости вращения вала, содержащие ротор, закрепленный на контролируемом валу, статор, выполненный в виде оптических волокон, оптически согласованных с источником света и фотоприемником, усилитель фототока, подключенный к выходу фотоприемника [Патент Великобритании №2155619, кл. G1A (G01P3/486), 1985. Патент США №4580130, кл. 340/347 (G01P13/00), 1986. Патент ФРГ №3422365, кл. G01P3/486, 1984]. Последний из аналогов принят за прототип.

В аналогах ротор выполнен в виде дисков с отражающим и поглощающим элементами, оптически согласованных через передающие и приемные оптические волокна с источником света и фотоприемником, являющихся статором.

В прототипе ротор выполнен в виде диска с прорезями. Перед диском установлено оптическое волокно, являющееся световодом, а за диском - светоотражатель. Перед световодом установлено полупрозрачное зеркало. Источник света оптически согласован через полупрозрачное зеркало, световод и прорези диска со светоотражателем и фотоприемником, подключенным через усилитель фототока к регистратору. Неподвижные оптические элементы измерителя относятся к статору прибора.

Вращение диска приводит к модуляции светового потока от источника света и появлению на выходе фотоприемника импульсов, частота следования которых несет информацию о скорости вращения вала.

Недостатком известных измерителей, в том числе и прототипа, является частотно-импульсный характер выходного сигнала прибора.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является получение на выходе измерителя скорости вращения вала фазового выходного сигнала, преобразуемого интерферометром в амплитудный сигнал.

Данный технический результат достигают за счет того, что в первом варианте исполнения известный измеритель скорости вращения вала, содержащий ротор, закрепленный на контролируемом валу, статор, выполненный в виде оптических волокон, оптически согласованных с источником света и фотоприемником, усилитель фототока, подключенный к выходу фотоприемника, и регистратор, дополнительно содержит интегратор, компаратор, блок опорных напряжений и управляемый генератор, причем ротор выполнен в виде диэлектрических державок из упругодеформированного материала, равномерно расположенных по окружности вдоль образующих цилиндрической поверхности, соосной валу, на свободных концах которых расположены постоянные магниты, а статор - в виде консольно закрепленной в основании диэлектрической балки, на свободном конце которой закреплен электромагнит с возможностью периодического взаимодействия с постоянными магнитами ротора, при этом оптические волокна свернуты в виде предметной и опорной волоконных катушек, оптически связанных с источником света, выполненным когерентным, и фотоприемником в интерферометр, причем предметная волоконная катушка установлена в основании статора, а консольно закрепленный конец балки установлен в сердцевине предметной волоконной катушки с возможностью механического взаимодействия с ней, и в одной из волоконных катушек интерферометра установлено фазосдвигающее устройство, при этом выход усилителя фототока через интегратор подключен к первому входу компаратора и регистратору, второй вход соединен с выходом блока опорных напряжений, а выход - с управляемым входом генератора, подключенным выходом к фазосдвигающему устройству.

Статор измерителя может содержать вторую, закрепленную в основании диэлектрическую балку, аналогичную первой, на свободном конце которой закреплен второй электромагнит с возможностью периодического взаимодействия с постоянными магнитами ротора, при этом опорная волоконная катушка интерферометра установлена в основании статора, консольно закрепленный конец второй диэлектрической балки установлен в сердцевине опорной волоконной катушки интерферометра, количество диэлектрических державок ротора задано равным четному числу, причем один из электромагнитов статора расположен между постоянным магнитом ротора и осью вращения вала, а другой - по одну сторону от магнита ротора и осью вращения вала.

Во втором варианте исполнения известный измеритель скорости вращения вала, содержащий ротор, закрепленный на контролируемом валу, статор, выполненный в виде оптических волокон, оптически согласованных с источником света и фотоприемником, усилитель фототока, подключенный к выходу фотоприемника, и регистратор, дополнительно содержит интегратор, компаратор, блок опорных напряжений и управляемый источник тока, причем ротор выполнен в виде диэлектрических державок из упругодеформированного материала, расположенных вдоль образующих цилиндрической поверхности, соосной валу, на свободных концах которых расположены постоянные магниты, а статор - в виде консольно закрепленной в основании диэлектрической балки, на свободном конце которой закреплен электромагнит с возможностью периодического взаимодействия с постоянными магнитами ротора, при этом оптические волокна свернуты в виде предметной и опорной волоконных катушек, оптически связанных с источником света, выполненным когерентным, и фотоприемником в интерферометр, причем предметная волоконная катушка установлена в основании статора, а консольно закрепленный конец балки установлен в сердцевине предметной волоконной катушки с возможностью механического взаимодействия с ней, и в одной из волоконных катушек интерферометра установлено фазосдвигающее устройство, при этом выход усилителя фототока через интегратор подключен к первому входу компаратора и регистратору, второй вход компаратора соединен с выходом блока опорных напряжений, а выход - с управляемым входом источника тока, подключенного к электромагниту.

Статор во втором варианте исполнения измерителя также может содержать вторую, закрепленную в основании, диэлектрическую балку, аналогичную первой, на свободном конце которой закреплен второй электромагнит с возможностью периодического взаимодействия с постоянными магнитами ротора, при этом опорная волоконная катушка интерферометра установлена в основании статора, консольно закрепленный конец второй диэлектрической балки установлен в сердцевине опорной волоконной катушки интерферометра, количество диэлектрических державок ротора задано равным четному числу, причем один из электромагнитов статора расположен между постоянным магнитом ротора и осью вращения вала, а другой - по одну сторону от магнита ротора и осью вращения вала, при этом выход источника тока дополнительно подключен ко второму электромагниту.

В обоих вариантах исполнения измерителя диэлектрические балки статора выполняются параллельными оси вращения вала.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена конструктивная схема выполнения измерителя по независимым пунктам формулы изобретения; на фиг.2 - конструктивная схема выполнения измерителя с учетом зависимых пунктов формулы изобретения; на фиг.3 представлена оптико-электронная схема измерителя для первого варианта его выполнения; на фиг.4 - электронная схема измерителя для второго варианта выполнения.

Измеритель скорости вращения вала содержит в обоих вариантах исполнения ротор, закрепленный на контролируемом валу 1 (фиг.1, 2), выполненный в виде диэлектрических державок 2 из упругодеформируемого материала, например, в виде плоской пружины из пластмассы [Приборостроение и средства автоматики под ред. А.Н.Гаврилова. Том 2. Конструкция и расчет приборов. Книга 1. Прикладная метрология, методика расчета, детали и элементы приборов. М.: Маш., 1964, с.173-181].

Державки 2 закреплены равномерно по окружности вдоль направляющих цилиндрической поверхности, основание 3 которой крепится к контролируемому валу 1.

На освобожденных концах державок 2 закреплены постоянные магниты 4.

В дополнительных пунктах формулы изобретения количество державок 2 и магнитов 3 на роторе задается равным четному числу.

Измеритель также содержит статор, выполненный в виде консольно закрепленной в основании 5 диэлектрической балки 6, на свободном конце которой закреплен электромагнит 7.

Согласно дополнительным пунктам формулы изобретения для обоих вариантов измерителя статор содержит дополнительную диэлектрическую балку 8 (фиг.2), консольно закрепленную в основании 5. На свободном конце балки 8 закреплен электромагнит 9.

Державки 2 ротора параллельны консольно закрепленным балкам 6, 8 статора.

Расстояние между магнитами 4 ротора и электромагнитами 7, 9 статора задаются такими, чтобы обеспечить их магнитное взаимодействие в моменты, когда магниты 4 ротора устанавливаются напротив электромагнитов 7, 9 статора при вращении вала 1.

Имеются также волоконные катушки 10 и 11, установленные в основании 5 статора.

Согласно основным пунктам формулы изобретения в обоих вариантах измерителя волоконная катушка 10 выполнена предметной, а волоконная катушка 11 - опорной. Обе волоконные катушки 10, 11 оптически связаны в интерферометр (фиг.3) с источником 12 когерентного света и фотоприемником 13.

В одной из волоконных катушек интерферометра (на фиг.3, катушке 11) установлено фазосдвигающее устройство 14.

Согласно основным пунктам формулы изобретения в обоих вариантах измерителя консольно закрепленный конец балки 6 статора установлен вплотную в сердцевину предметной волоконной катушки 10. При этом опорная волоконная катушка 11 установлена рядом с предметной волоконной катушкой 10 в том же основании 5 статора (фиг.1).

Согласно дополнительным пунктам формулы изобретения балка 8 установлена вплотную в сердцевину опорной волоконной катушки 11 (фиг.2). В этом случае обе волоконные катушки интерферометра выполняют эквивалентные функции. Поэтому название волоконной катушки 11 опорной является условным.

Первый и второй варианты исполнения измерителя различаются только в электронной части их схемы.

В первом и втором вариантах (фиг.3, 4) выход фотоприемника 13 через усилитель 15 фототока и интегратор 16 подключен к первому входу компаратора 17 и регистратору 18, выполненному в виде измерителя тока.

Выход блока 19 опорных напряжений соединен со вторым входом компаратора 17.

В первом варианте измерителя (фиг.3) выход компаратора 17 подсоединен к управляемому входу генератора напряжения 20, выход которого подключен к фазосдвигающему устройству 14.

Во втором варианте измерителя (фиг.4) выход компаратора 17 подсоединен к управляемому входу источника 21 тока, соединенного выходом с электромагнитом 7 статора согласно основному пункту формулы изобретения, и с электромагнитами 7 и 9 согласно дополнительному пункту формулы изобретения.

Нетрудно заметить, что дополнительные пункты формулы изобретения позволяют осуществить в обоих вариантах измерителя удвоение выходного сигнала интерферометра за счет использования дифференциального способа измерений.

Для этого консольно закрепленную балку 6 статора располагают между державкой 2 ротора и осью вращения вала 1 (фиг.2), а консольно закрепленную балку 8 - по одну сторону от державки 2 ротора и оси вращения вала 1.

Измеритель работает следующим образом.

В обоих вариантах исполнения измерителя перед началом работы с помощью фазосдвигающего устройства 14 начальную разность фаз интерферирующих лучей в интерферометре устанавливают равной 90°. А сам измеритель проходит предварительную градуировку.

При вращении вала 1 державки 2 ротора, выполненные из упругодеформируемого материала, под действием центробежной силы будут отклоняться от оси вращения к периферии. При этом постоянные магниты 4 будут приближаться к электромагниту 7 (фиг.1) и удаляться от электромагнита 9 (фиг.2). Через электромагниты 7, 9 и балку 6, 8 на катушки 10, 11 будет воздействовать упругая сила. При этом на малых оборотах вращения вала 1 выходной сигнал с фотоприемника 13 (фиг.3, 4) будет носить частотно-импульсный характер. Причем амплитуда импульсов будет увеличиваться с увеличением скорости вращения вала 1 из-за возрастания магнитной силы взаимодействия магнитов 4 и электромагнита 7 при уменьшении расстояния между ним. Постоянная составляющая на выходе интегратора 16 также будет возрастать и сравниваться с наперед заданным блоком 19 опорным напряжением в компараторе 17. Разностный сигнал интегратора 16 и блока 19 опорных напряжений будет подаваться на управляемый вход генератора 20, соединенного с фазосдвигающим устройством 14 интерферометра (первый вариант измерителя).

Рабочая точка интерферометра при этом возвратится в первоначальное положение. А информацию о скорости вращения дает регистратор 18, подключенный к выходу интегратора 16 или компаратора 17.

На высоких оборотах вала 1 выходной сигнал с фотоприемника 13 будет сглажен из-за инерционности механической колебательной системы. Амплитуда сигнала будет увеличиваться с ростом числа оборотов вала. Рабочая точка интерферометра будет сдвигаться от своего первоначального положения. А сигнал с генератора 20, как и при малых оборотах вала 1, позволяет с помощью фазосдвигающего устройства 14 возвращать рабочую точку интерферометра в первоначальное положение, когда разность фаз его интерферирующих лучей равна 90°.

Аналогичного эффекта измерения скорости вращения вала 1 можно добиться, расположив электромагнит статора между магнитами 8 ротора и осью вращения вала. В этом случае расстояние между магнитами и электромагнитом будет увеличиваться при возрастании скорости вращения вала 1, а выходной сигнал фотоприемника 13 - уменьшается.

При реализации измерителя с дополнительной консольной балкой 8 и электромагнитом 9 (фиг.2) получается удвоение амплитуды сигнала (один магнит 4 приближается к электромагниту 7, а другой - удаляется от электромагнита 9). В одном случае расположение магнитов 4 по окружности должно быть равномерным, а их количество должно быть равно четному числу.

Во втором варианте исполнения измерителя (фиг.4) разностный сигнал интегратора 17 и блока 19 опорных напряжений подается на электромагнит 7 (а в дополнительном пункте формулы изобретения и на электромагнит 9 через источник 21 тока).

Сила взаимодействия электромагнитов 7, 9 статора с постоянными магнитами 4 ротора изменяется пропорционально скорости вращения вала 1. А рабочая точка интерферометра при этом остается в первоначальном ранее установленном положении. Это позволяет увеличить рабочий динамический диапазон измерителя.

Таким образом, выходным сигналом измерителя является разность фаз интерферирующих лучей, преобразуемая интерферометром в амплитуду. Причем преобразование проводится в широком динамическом диапазоне. Этим достигается поставленный технический результат.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в тахометрии, например, для измерения угловой скорости вращения гребного винта надводного или подводного плавсредства. Существо изобретения заключается в том, что на контролируемом валу устанавливают ротор в виде упругих державок, равномерно расположенных вдоль образующих цилиндрической поверхности, соосной валу. На концах державок закрепляют постоянные магниты. Рядом с ротором устанавливают статор в виде консольно закрепленной балки, на свободном конце которой закреплен электромагнит. В основании статора установлены две волоконные катушки, оптически связанные в интерферометр с источником когерентного света и фотоприемником. Балка статора с натягом установлена в сердцевину предметной волоконной катушки интерферометра в основании статора. При вращении ротора под действием центробежной силы упругие державки ротора будут отклоняться от оси вращения вала к периферии. Выходным сигналом измерителя является разность фаз интерферирующих лучей, преобразуемая интерферометром в амплитуду в широком динамическом диапазоне. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Измеритель скорости вращения вала, содержащий ротор, закрепленный на контролируемом валу, статор, выполненный в виде оптических волокон, оптически согласованных с источником света и фотоприемником, усилитель фототока, подключенный к выходу фотоприемника, и регистратор, отличающийся тем, что дополнительно содержит интегратор, компаратор, блок опорных напряжений и управляемый генератор, причем ротор выполнен в виде диэлектрических державок из упругодеформированного материала, равномерно расположенных по окружности вдоль образующих цилиндрической поверхности, соосной валу, на свободных концах которых расположены постоянные магниты, а статор - в виде консольно закрепленной в основании диэлектрической балки, на свободном конце которой закреплен электромагнит с возможностью периодического взаимодействия с постоянными магнитами ротора, при этом оптические волокна свернуты в виде предметной и опорной волоконных катушек, оптически связанных с источником света, выполненным когерентным, и фотоприемником в интерферометр, причем предметная волоконная катушка установлена в основании статора, а консольно закрепленный конец балки установлен в сердцевине предметной волоконной катушки с возможностью механического взаимодействия с ней, и в одной из волоконных катушек интерферометра установлено фазосдвигающее устройство, при этом выход усилителя фототока через интегратор подключен к первому входу компаратора и регистратору, второй вход компаратора соединен с выходом блока опорных напряжений, а выход - с управляемым входом генератора, подключенным выходом к фазосдвигающему устройству.2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что статор содержит вторую закрепленную в основании диэлектрическую балку, аналогичную первой, на свободном конце которой закреплен второй электромагнит с возможностью периодического взаимодействия с постоянными магнитами ротора, при этом опорная волоконная катушка интерферометра установлена в основании статора, консольно закрепленный конец второй диэлектрической балки установлен в сердцевине опорной волоконной катушки интерферометра, количество диэлектрических державок ротора задано равным четному числу, причем один из электромагнитов статора расположен между постоянным магнитом ротора и осью вращения вала, а другой - по одну сторону от магнита ротора и осью вращения вала.3. Измеритель по п.2, отличающийся тем, что диэлектрические балки статора выполнены параллельными оси вращения вала.4. Измеритель скорости вращения вала, содержащий ротор, закрепленный на контролируемом валу, статор, выполненный в виде оптически согласованных с источником света и фотоприемником, усилитель фототока, подключенный к выходу фотоприемника, и регистратор, отличающийся тем, что дополнительно содержит интегратор, компаратор, блок опорных напряжений и управляемый источник тока, причем ротор выполнен в виде диэлектрических державок из упругодеформированного материала, расположенных вдоль образующих цилиндрической поверхности, соосной валу, на свободных концах которых расположены постоянные магниты, а статор - в виде консольно закрепленной в основании диэлектрической балки, на свободном конце которой закреплен электромагнит с возможностью периодического взаимодействия с постоянными магнитами ротора, при этом оптические волокна в виде предметной и опорной волоконных катушек, оптически связанных с источником света, выполненным когерентным, и фотоприемником в интерферометр, причем предметная волоконная катушка установлена в основании статора, а консольно закрепленный конец балки установлен в сердцевине предметной волоконной катушки с возможностью механического взаимодействия с ней, и в одной из волоконных катушек интерферометра установлено фазосдвигающее устройство, при этом выход усилителя фототока через интегратор подключен к первому входу компаратора и регистратору, второй вход компаратора соединен с выходом блока опорных напряжений, а выход - с управляемым входом источника тока, подключенного к электромагниту.5. Измеритель по п.4, отличающийся тем, что статор содержит вторую закрепленную в основании диэлектрическую балку, аналогичную первой, на свободном конце которой закреплен второй электромагнит с возможностью периодического взаимодействия с постоянными магнитами ротора, при этом опорная волоконная катушка интерферометра установлена в основании статора, консольно закрепленный конец второй диэлектрической балки установлен в сердцевине опорной волоконной катушки интерферометра, количество диэлектрических державок ротора задано равным четному числу, причем один из электромагнитов статора расположен между постоянным магнитом ротора и осью вращения вала, а другой - по одну сторону от магнита ротора и осью вращения вала, при этом выход источника тока дополнительно подключен ко второму электромагниту.6. Измеритель по п.5, отличающийся тем, что диэлектрические балки статора выполнены параллельными оси вращения вала.