БЕСКОНТАКТНЫЙ РАДИОВОЛНОВЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01P3/48 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного бесконтактного определения скоростей вращения таких объектов, как роторы турбин, валов, вентиляторов и вращающихся узлов и механизмов.

Известны радиоволновые способы измерения, которые используют для бесконтактного определения частот вращения (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.).

Большинство известных способов измерения связано с зондированием вращающегося объекта электромагнитными волнами, приемом отраженных волн и измерением их характеристик. Фазы отраженных волн при этом будут постоянно меняться вследствие того, что при вращении объекта одни его элементы приближаются, а другие удаляются по отношению к приемной и передающей антеннам. Эта фазовая модуляция позволяет получить информацию о частоте вращения.

Известно также техническое решение - радиоволновый фазовый способ измерения частоты вращения, которое по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.). Данный способ-прототип заключается в зондировании вращающегося объекта по нормали к оси его вращения электромагнитными волнами с фиксированной частотой, приеме отраженных волн и измерении фазового сдвига между ними, по частотным составляющим которого судят о частоте вращения объекта. Важным преимуществом способа является получение информации бесконтактным методом, что исключает влияние на контролируемый объект (изделие), возможность работы через защитные экраны из диэлектрика, широкий диапазон измерений и получение информации в процессе обработки изделий.

Однако существенным недостатком этого способа является тот факт, что отдельные выступающие элементы и неоднородности объекта вращения приводят к наличию в спектре сигнала многих частотных составляющих, которые вследствие эффекта Доплера еще и постоянно меняют свою частоту. Одновременно с этим на сигнал накладывается амплитудная модуляция, вызванная наличием на объекте гладких и шероховатых частей, пятен масла и краски. Вследствие этого сигнал имеет сложный характер, что затрудняет измерение частот гармоник сигнала и в результате снижает точность измерения частоты вращения.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат в предлагаемом способе измерения частоты вращения достигается тем, что в сторону объекта по нормали к его оси вращения излучают электромагнитные волны с фиксированной частотой, принимают отраженные электромагнитные волны и измеряют закон изменения разности фаз излучаемых и принимаемых электромагнитных волн φ₁(t), на таком же расстоянии от оси вращения объекта по нормали к ней и под углом α относительно направления первого излучения излучают электромагнитные волны той же частоты, принимают отраженные электромагнитные волны и измеряют закон изменения разности фаз излучаемых и принимаемых электромагнитных волн φ₂(t), частоту вращения объекта определяют по временной задержке максимума корреляционной функции между φ₁(t) и φ₂(t) и углу α.

На Фиг. 1 приведена структурная схема устройства для реализации способа.

На Фиг. 2 показаны временные диаграммы сигналов φ₁(t) (Фиг. 2а), φ₂(t) (Фиг. 2б) и корреляционной функции (Фиг. 2в), поясняющие процесс измерения частоты вращения объекта.

На Фиг. 1 показаны генераторы одинаковой фиксированной частоты 1, 6, направленные ответвители 2, 7, циркуляторы 3, 8, антенны с одинаковыми характеристиками 4, 9, смесители 5, 10, вычислительное устройство 11 и вращающийся объект 12.

Способ реализуется следующим образом.

Электромагнитные колебания фиксированной частоты от генератора 1 поступают через направленный ответвитель 2 и циркулятор 3 на антенну 5. Излучаемые ею электромагнитные волны направляются в сторону вращающегося объекта 12 по нормали к оси вращения, отражаются от него, принимаются антенной 5 и через циркулятор 3 поступают на первый вход смесителя 5. Одновременно эти же электромагнитные колебания через дополнительный вывод направленного ответвителя 2 поступают от генератора 1 на второй вход смесителя 5. В это же время электромагнитные колебания фиксированной частоты от генератора 6 поступают через направленный ответвитель 7 и циркулятор 8 на антенну 9. Эта антенна расположена таким образом, что излучаемые ею электромагнитные волны также направляются в сторону вращающегося объекта 12 по нормали к оси вращения, но при этом она расположена на одинаковом удалении от оси вращения на том же расстоянии и в той же плоскости, что и антенна 5 и направлена под углом α к ней. Эти электромагнитные волны отражаются от вращающегося объекта 12, принимаются антенной 8 и через циркулятор 9 поступают на первый вход смесителя 10. Одновременно эти же электромагнитные колебания через дополнительный вывод направленного ответвителя 7 поступают от генератора 6 на второй вход смесителя 10. Сигналы φ₁(t) и φ₂(t) (см. Фиг. 2а, 2б), поступающие с выходов смесителей 5 и 10 подаются на входы вычислительного устройства 11, в котором вычисляется корреляционная функция между этими сигналами С₁₂ см. Фиг. 2в), определяется ее максимальное значение и по положению этого максимума на временной оси определяется время задержки τ в секундах. Зная это значение, а также угол α в радианах между направлениями излучения двух антенн, скорость перемещения поверхности объекта вращения V можно вычислить по формуле:

V=α/τ (рад/сек).

Период одного оборота в секунду Т=2π/V=2πτ/α частоту вращения объекта W в оборотах в минуту можно вычислить по формуле:

В примере, показанном на Фиг. 2 время задержки τ=16 мс, тогда при α=π/5 согласно формуле (1) W=375 (об/мин).

Таким образом, данный способ позволяет решить проблему измерения частоты вращения объекта по спектру фазы отраженного сигнала при его сложном характере в случае наличия во вращающемся объекте различных неоднородностей, за счет измерения временной задержки между отражениями волн от текущих положений отражающей поверхности вращающегося объекта в разных его положениях.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой бесконтактный радиоволновый способ измерения частоты вращения и может быть использовано для высокоточного определения частоты вращения. При реализации способа в сторону объекта вращения по нормали к его оси вращения излучают электромагнитные волны с фиксированной частотой, принимают отраженные электромагнитные волны и измеряют закон изменения разности фаз излучаемых и принимаемых электромагнитных волн φ₁(t). Одновременно на таком же расстоянии от оси вращения объекта по нормали к ней и под углом α относительно направления первого излучения излучают электромагнитные волны той же частоты, принимают отраженные электромагнитные волны и измеряют закон изменения разности фаз излучаемых и принимаемых электромагнитных волн φ₂(t). Частоту вращения объекта определяют по временной задержке максимума корреляционной функции между φ₁(t) и φ₂(t) и углу α. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения. 2 ил.

Бесконтактный радиоволновый способ измерения частоты вращения, заключающийся в том, что в сторону объекта вращения по нормали к его оси вращения излучают электромагнитные волны с фиксированной частотой, принимают отраженные электромагнитные волны и измеряют закон изменения разности фаз излучаемых и принимаемых электромагнитных волн φ₁(t), отличающийся тем, что на таком же расстоянии от оси вращения объекта по нормали к ней и под углом α относительно направления первого излучения излучают электромагнитные волны той же частоты, принимают отраженные электромагнитные волны и измеряют закон изменения разности фаз излучаемых и принимаемых электромагнитных волн φ₂(t), а частоту вращения объекта определяют по временной задержке максимума корреляционной функции между φ₁(t) и φ₂(t) и углу α.