Цифровой ультразвуковой измеритель параметров вибрации Российский патент 2023 года по МПК G01H11/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении параметров вибрации различных узлов и механизмов.

Известно измерительное устройство, содержащее последовательно соединенные задающий генератор ультразвуковой частоты, излучающий преобразователь, исследуемый объект, приемный преобразователь, и фазовый детектор, первый вход которого подключен к выходу задающего генератора. Принцип работы этого устройства заключается в том, что между падающим на исследуемый объект, и отраженным от него акустическими сигналами существует определенный фазовый сдвиг, который измеряется фазовым детектором. В том случае, когда исследуемый объект неподвижен, разность фаз между падающим (опорным) и отраженными сигналами неизменна. Если объект начинает движение, разность фаз между падающим и отраженным сигналами начинает меняться, следовательно, изменяется величина выходного сигнала фазового детектора. Если фазовый детектор работает в линейном режиме, то величина сигнала на его выходе пропорциональна смещению исследуемого объекта. (Редчиков В.В. «Ультразвуковой фазовый метод измерения виброперемещений», М., МДНТП им. Дзержинского, 1973, с. 194-199). Недостатком этого устройства является узкий динамический диапазон измерения виброперемещений из-за наличия нелинейных искажений выходного сигнала фазового детектора за счет произвольного выбора рабочей точки на выходной характеристике детектора.

Этот недостаток устраняется в измерительном устройстве, описанном в авторском свидетельстве SU 823824 «Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений» (авт. Гордеев Б.А., Кондратьев В.В., МПК G01B 7/00, 03.04.1979 г.). Устройство содержит последовательно соединенные задающий генератор ультразвуковой частоты, излучающий преобразователь, исследуемый объект, приемный преобразователь, фазовый детектор, второй вход которого подключен к выходу приемного преобразователя, а первый к выходу генератора ультразвуковой частоты. Хотя в этом измерительном устройстве рабочая точка выбрана на линейном участке фазовой характеристики детектора, но при возрастании амплитуды виброперемещений или при медленном дрейфе исследуемого объекта рабочая точка покидает линейный участок. При измерении стационарных вибропроцессов данное устройство работает в линейном режиме. На практике значительно чаще возникает нестационарный режим, при котором измеряемые высокочастотные вибросигналы, взаимодействуя с низкочастотными, создают дрейф рабочей точки фазового детектора, приводящий к нелинейным искажениям выходного сигнала.

Этот недостаток устранен в ультразвуковом фазовом измерительном устройстве, содержащем последовательно соединенные задающий генератор, линию задержки с управляемыми входами, излучающий преобразователь, взаимодействующий с исследуемым объектом, приемный преобразователь, фазовый детектор, второй вход которого подключен к входу излучающего преобразователя, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки информации (AC SU 1048330 «Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений», авт. Гордеев Б.А., МПК G01H 1/00, G01B 17/00, опубл. 15.10.1983 г.). Выход фазового детектора соединен с входом компаратора, выход которого соединен с входом коммутатора и вторым входом блока обработки информации. Выходы коммутатора соединены с управляющими входами управляемой линии задержки. При смещении исследуемого объекта на величину, не превышающую одну восьмую длины волны, нелинейных искажений не возникает. Измерительное устройство работает в линейном режиме. Отраженный сигнал с выхода приемного преобразователя поступает на второй вход фазового детектора, на первый вход которого поступает опорный сигнал с линии задержки. Изменяющийся по амплитуде выходной сигнал фазового детектора поступает на компаратор, на который от источника опорного напряжения подаются напряжения уровней U¹ и U², соответствующие верхнему и нижнему порогам, вне которых заметно наличие нелинейных искажений. При увеличении выходного сигнала фазового детектора на величину, соответствующую смещению исследуемого объекта на расстояние, превышающее восьмую часть длины волны зондирующего ультразвукового сигнала, в этом сигнале начинают проявляться нелинейные искажения. В этом случае выходной сигнал фазового детектора в компараторе достигает одного из уровней напряжения U¹ или U². Тогда на выходе компаратора появляется импульс, поступающий одновременно на коммутатор и блок обработки информации. На втором выходе коммутатора появляется управляющий сигнал, изменяющий время задержки. Время задержки соответствует изменению фазы сигнала на втором входе фазового детектора на величину, равную одной восьмой периода, и рабочая точка смещается на одну восьмую длины волны ультразвукового сигнала, что устраняет нелинейные искажения. Аналогичные процессы происходят, если величина выходного сигнала фазового детектора уменьшается до значения U². Однако при измерении параметров радиальной вибрации вала с установленным на нем шнеком возникают дополнительные трудности, так как поверхность шнека представляет винтовую поверхность, где высота спирали шнека может быть одного порядка с диаметром шнека. Тогда выходной сигнал насыщается дополнительными гармониками, так как спираль шнека, попадая в зону действия зондирующего акустического сигнала, вызывает модуляцию отраженного сигнала не только по фазе, но и по частоте. Поэтому выделение информационной составляющей по фазе связано с возрастающими ошибками. Ошибки возрастают при увеличении угловой скорости вращения шнека.

Известен также ультразвуковой фазовый вибропреобразователь, содержащий излучающий преобразователь, фазовращатель, приемный преобразователь, компаратор, источник опорного напряжения, фазовый детектор, блок обработки сигналов и задающий генератор, выход которого соединен с входом излучающего преобразователя, выход фазовращателя подключен к входу фазового детектора, выход которого подсоединен к входу компаратора, другой вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выход компаратора соединен с входами элементов «И-Не» и «И», а выход элемента «И-Не» соединен с блоком обработки информации, другой вход которого соединен с выходом частотного детектора, а вход частотного детектора соединен с выходом элемента «И» (RU 1637493 «Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь», авт. Гордеев Б.А., Новожилов М.В., Караванцев В.К., Королев В.А., МПК G01H 5/00). Отраженный от исследуемого объекта ультразвуковой сигнал принимается приемным преобразователем, сигнал с выхода которого поступает на вход фазовращателя, изменяющего фазу сигнала на постоянную величину, чтобы соблюдалось условие расположения рабочей точки в центре прямолинейного участка выходной характеристики фазового детектора при неподвижном объекте исследования. Если колебания исследуемого объекта не выходят за пределы линейного участка выходной характеристики фазового детектора, то выходной сигнал фазового детектора несет всю информацию о виброперемещениях исследуемого объекта. В компараторе происходит контроль уровней выходного сигнала фазового детектора. Если уровни этого сигнала не выходят за пределы допустимых, установленных в компараторе, то фазовый детектор работает в обычном режиме, и его выходной сигнал пропорционален виброперемещениям. В том случае, если величина выходного сигнала фазового детектора выходит за пределы допустимых уровней, установленных в компараторе, срабатывает элемент «И-Не», фазовый детектор отключается, а через открывшийся элемент «И» сигнал с приемного преобразователя, пройдя фазовращатель, поступает на вход частотного детектора. При малых индексах частотной модуляции в частотном детекторе частотно модулированный сигнал преобразуется в амплитудно модулированный. Изменения значений выходного сигнала частотного детектора соответствуют изменениям виброскорости исследуемого объекта. Однако, такой ультразвуковой фазовый вибропреобразователь не позволяет проводить вибродиагностику таких устройств, как, например, шнековые передачи в металлорежущих станках, шнековые буры в геологоразведочных работах, шнековые механизмы в дорожно-строительных машинах и т.д.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому устройству является устройство, описанное в патенте RU 2472109 «Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь», авт. Гордеев Б.А., КуклинаИ.Г., Голубева К.В., Гордеев А.Б., МПК G01B 17/00, Н03Н 9/00, опубл. 10.01.2013 г. Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь содержит последовательно соединенные задающий генератор и излучающий преобразователь, взаимодействующий с исследуемым объектом, блок сдвига фазы (фазовращатель), фазовой детектор, второй вход которого подключен к входу излучающего преобразователя, блок обработки данных. На валу шнекового механизма закрепляется кодовый диск в таком положении, чтобы при вращении вала поле действия ультразвукового зондирующего сигнала не входило в область шнекового выступа. Сигнал с выхода задающего генератора поступает на излучающий преобразователь, который излучает ультразвуковые волны в направлении исследуемого объекта - вала. Отраженный от исследуемого объекта ультразвуковой сигнал принимается приемным преобразователем, сигнал, с выхода которого поступает на вход фазовращателя, изменяющего фазу сигнала на постоянную величину, чтобы соблюдалось условие расположения рабочей точки в центре прямолинейного участка выходной характеристики фазового детектора при неподвижном объекте исследования. При повышении частоты вращения вала и при наличии эксцентриситета порядка 1/8 длины волны ультразвука в воздухе начинает проявляться частотная модуляция отраженного ультразвукового сигнала. При этом изменение частоты отраженного сигнала характеризует скорость вращения вала. Для точного определения эксцентриситета вала, являющегося важнейшей причиной возникновения виброперегрузок, достаточно угловой скорости его вращения порядка нескольких оборотов в минуту. В данном случае фаза является информативным параметром. С выхода фазовращателя отраженный сигнал поступает на первый вход фазового детектора, на второй вход которого поступает опорный сигнал с выхода генератора. При этом имеют место два режима работы вибропреобразователя.

Первый, когда поле зондируемой поверхности вала свободно от ребра шнека (кодовый диск соответствует такому углу поворота вала, при котором зондирующий ультразвуковой сигнал падает на свободное от шнека поле). В таком случае сигнал с датчика угла поворота вала, поступая на первый вход элемента «И» умножения, открывает его для прохождения сигнала с фазового детектора на блок обработки данных. Если вал шнека обладает эксцентриситетом, то при повороте вала на некоторый даже небольшой в несколько угловых градусов угол, фаза отраженного ультразвукового сигнала изменится относительно опорного, что зарегистрирует фазовый детектор. При дальнейшем вращении вала ребро шнека достигает поля действия зондирующего ультразвукового луча. При этом датчик угла поворота вала выдает запрещающий сигнал логического нуля на первый вход элемента «И» умножения и закрывает его, еще до входа ребра шнека в зону действия зондирующего ультразвукового луча. После этого действует второй режим работы ультразвукового фазового вибропреобразователя.

Второй режим работы наступает тогда, когда кодовый диск, поворачиваясь на соответствующий угол, изменяет выходной сигнал датчика угла поворота вала на полярный. Например, когда поле взаимодействия зондирующего луча с поверхностью вала свободно от шнека, то выходной сигнал датчика соответствует логической единице, а когда шнек приближается к этому полю, но не заходит в зону действия зондирующего ультразвукового луча, выходной сигнал датчика соответствует логическому нулю. Тогда открывается элемент «И-Не» и отраженный уже и от ребра шнека ультразвуковой сигнал через элемент «И-Не» поступает в частотный детектор и затем в блок обработки данных.

Когда зондирующий луч попадает в область шнека, то полем действия луча является внешняя поверхность ребра шнека. Это явление эквивалентно движению отражающей поверхности, навстречу падающему лучу. Поэтому частота отраженного сигнала будет превышать частоту зондирующего луча.

Описанный ультразвуковой фазовый вибропреобразователь позволяет проводить вибродиагностику вращающихся валов со сложной внешней поверхностью, образующая которой не является прямой линией, за счет измерения дисбаланса роторов со сложной конфигурацией.

Однако данное устройство предполагает наличие на валу шнека кодового диска. Это условие не всегда возможно реализовать на практике. Например, в строительно-дорожных машинах, где его наличие связано с дополнительными техническими трудностями, поскольку в этих машинах всегда присутствует боковое давление грунта, снега и других сред на плоскость спирали шнека, а, следовательно, и на кодовый диск. Внешнее давление вызывает его деформацию и, как следствие, ошибки синхронизации при измерениях. Не всегда возможно применение кодовых дисков в бурильных установках.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка ультразвукового измерителя параметров вибрации, позволяющего повысить точность измерений.

Технический результат в разработанном устройстве достигается за счет того, что оно, как и прототип, содержит последовательно соединенные задающий генератор, излучающий преобразователь, взаимодействующий с исследуемым объектом, приемный преобразователь, блок сдвига фазы, фазовой детектор, блок обработки данных. Новым в разработанном устройстве является то, что излучающий преобразователь представляет собой первый усилитель и акустический излучатель, приемный преобразователь представляет собой акустический приемник и второй усилитель, блок сдвига фазы выполнен в виде цифровой линии задержки, фазовый детектор выполнен в виде элемента «исключающее ИЛИ», а блок обработки данных включает в себя высокочастотный генератор, выход которого подключен к первому входу элемента «И», который в свою очередь последовательно соединен с счетчиком импульсов, Sinc-фильтром и дециматором, при этом второй вход элемента «И» соединен с выходом элемента «исключающее ИЛИ», выход второго усилителя соединен с входом цифровой линии задержки через первый компаратор, а выход задающего генератора также соединен со вторым входом элемента «исключающее ИЛИ» через второй компаратор.

Изобретение поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 приведена функциональная схема разработанного ультразвукового измерителя вибрации.

На фиг. 2 приведена амплитудно-частотная характеристика Sinc-фильтра 5-го порядка.

Разработанный ультразвуковой измеритель параметров вибрации содержит последовательно соединенные задающий генератор 1 гармонического сигнала, излучающий преобразователь, взаимодействующий с исследуемым объектом 2, приемный преобразователь, блок сдвига фазы, выполненный в виде цифровой линии задержки 3, фазовый детектор в виде элемента «исключающее ИЛИ» 4, блок обработки данных, включающий в себя высокочастотный генератор 5, выход которого подключен к первому входу элемента «И» 6, который в свою очередь последовательно соединен со счетчиком импульсов 7, Sinc-фильтром 8 и дециматором 9. При этом второй вход элемента «И» 6 соединен с выходом элемента «исключающее ИЛИ» 4. Излучающий преобразователь представляет собой первый усилитель 10 мощности и акустический излучатель 11, а приемный преобразователь представляет собой акустический приемник 12 и второй усилитель 13. Выход второго усилителя 13 соединен с входом цифровой линии задержки 3 через первый компаратор 14, а выход задающего генератора 1 также соединен со вторым входом элемента «исключающее ИЛИ» 4 через второй компаратор 15.

Работает заявленный измеритель следующим образом. Вырабатываемый задающим генератором 1 гармонический сигнал частотой 100…300 кГц усиливается первым усилителем мощности 10, преобразуется излучателем 11 в ультразвуковую волну, которая излучается на исследуемый объект 2. Отраженная от объекта 2 ультразвуковая волна принимается приемником 12, преобразуется в электрический сигнал, усиливается вторым усилителем 13. Затем при помощи компараторов 14 и 15 из излучаемого и отраженного гармонических сигналов формируются прямоугольные импульсы со скважностью 2. Выходной сигнал первого компаратора 14 подается на цифровую линию задержки 3, выполняющую роль устройства сдвига фазы, необходимого для установки рабочей точки фазометра, то есть нулевого значения разности фаз при отсутствии вибрации анализируемого объекта 2 при установленном расстоянии между объектом 2 излучателем 11 и приемником 12 ультразвука. Импульсы с выходов второго компаратора 15 и линии задержки 3 подаются на логический элемент «исключающее ИЛИ» 4, выполняющего роль импульсного фазового детектора, с выхода которого снимаются прямоугольные импульсы, длительность которых пропорциональна сдвигу фаз импульсов, поданных на входы элемента «исключающее ИЛИ» 4. Высокочастотный генератор 5 вырабатывает импульсы с высокой частотой 100…200 МГц, которые подаются на вход логического элемента «И» 6, на второй вход которого подаются импульсы с выхода фазового детектора (элемента «исключающее ИЛИ» 4). В результате на выходе элемента «И» 6 появляются пачки импульсов высокой частоты, длительность которых и, следовательно, количество содержащихся в них импульсов определяется разностью фаз излученного и отраженного ультразвуковых сигналов. Затем счетчиком импульсов 7 вычисляется количество импульсов в каждой пачке, счет импульсов производится за время равное периоду зондирующего сигнала.

Таким образом, код на выходе счетчика 7 уже представляет собой численное значение мгновенной величины смещения l(t) поверхности исследуемого объекта 2. Однако пользоваться им непосредственно крайне неудобно, так как полученный поток числовых значений имеет, во-первых, неоправданно высокую частоту квантования, равную удвоенной частоте зондирующего сигнала, то есть 200...600 кГц при частоте анализируемой вибрации не превышающей десятков Гц, и, во-вторых, динамический диапазон по амплитуде измеряемой величины определяется отношением частот генераторов 5 и 1 (фиг. 1), и для его увеличения требуется значительное повышение частоты генератора 5, что ведет к значительному усложнению узлов 5, 6, 7.

Следовательно, имеется передискретизация (oversampling) (иногда называемая супердискретизацией) входного сигнала. Для получения измерительного сигнала, имеющего более низкую частоту квантования и большее значение разрядности отсчетов, используется нормирующее устройство, состоящее из Sinc-фильтра 8 и дециматора 9. Этот процесс в русскоязычной литературе также называется «передискретизация» (в отличие от англоязычного resampling). Sinc-фильтр - это вычислительное устройство, амплитудно-частотная характеристика которого приведена на фиг. 2. Он обеспечивает снижение эффективной частоты квантования до величины F_кв (см. фиг. 2), при этом частота отсчетов входного потока данных сохраняется, но значения отсчетов изменяются в (F_кв.вх/F_кв) раз медленнее, чем во входном потоке, что приводит к снижению неопределенности при формировании пачек импульсов элементом «И» 6, что эквивалентно снижению эффективного шума квантования аналого-цифрового преобразования разности фаз опорного и отраженного акустических сигналов. За счет этого разрядность каждого отсчета повышается на log2(F_кв.вх/F_кв) разрядов, где

F_{кв вх} - частота квантования сигнала на входе фильтра,

F_кв - частота квантования выходного сигнала.

Дециматор 9 выполняет прореживание отсчетов сигнала, то есть выделяет из потока данных отсчеты с частотой F_кв.

Таким образом, на выходе разработанного устройства получают цифровой сигнал с частотой квантования F_кв, которая может быть выбрана любой в зависимости от требований к измерениям и обычно составляет 50…1000 Гц. Применение описанной цифровой обработки позволяет увеличить точность отсчетов измеренного сигнала в раз. Динамический диапазон D цифрового измерителя по амплитуде будет определяться следующим образом:

где F_Г - частота высокочастотного генератора 5 (фиг. 1),

F_yз - частота ультразвука.

В конкретном примере реализации заявленного цифрового измерителя при частоте генератора 200 МГц, частоте зондирующего сигнала 200 кГц и частоте квантования выходного сигнала 200 Гц получают динамический диапазон устройства:

То есть при указанных значениях частоты генератора 5, частоте квантования выходного сигнала за счет обработки сигнала Sinc-фильтром 8 и дециматором 9 получено увеличение точности измерений на

Приведенное значение динамического диапазона является оценкой сверху и не учитывает влияние неидеальности элементов устройства и воздействия помех. На точность измерений при отсутствии шумов в отраженном сигнале оказывают влияние:

- дрожание фронта (джиттер) задающего генератора 1 зондирующего сигнала, который для современных высокостабильных МЭМС-генераторов составляет 0,5…2⋅10^-6. Нестабильностью частоты генератора можно пренебречь, так как она проявляется на временных интервалах на много порядков больше, чем время зондирования объекта;

- скорость срабатывания логического элемента «И» 6 серии SN74AUC составляет 1 не, что дает погрешность (2⋅10^-9/0,3⋅10^-6)=6⋅10^-3 (положительный и отрицательный фронты).

Линия задержки 3 не вносит вклад в снижение точности измерений, так как сигнал на ее выходе устанавливается раньше выходного сигнала компаратора 15.

Скоростями срабатывания компараторов 14 и 15, а также логического элемента «исключающее ИЛИ» 4 можно пренебречь, так как они дают одинаковый вклад в задержку сигнала как для зондирующего, так и для отраженного.

Таким образом, точность разработанного устройства для приведенного выше примера при частоте ультразвукового сигнала 200 кГц будет равна:

что соответствует динамическому диапазону 103 дБ.

Рассмотрим влияние шумов, воздействующих на вход цифрового измерителя. Предположим, что на вход измерителя поступает вместе с отраженным сигналом шумовой, частота которого значительно ниже частоты зондирующего сигнала, но выше частоты вибрации исследуемого объекта 2, и который носит аддитивный характер и является центрированным, что выполняется в большинстве случаев - это разного рода мешающие звуки. При этом форма отраженного сигнала будет искажена и будет отмечаться модуляция шумовым сигналом длительности импульсов на выходе фазового детектора и, следовательно, измеренных значений на частоте зондирующего сигнала. Однако применение Sinc-фильтра 8 эффективно снижает уровень таких шумов, монохроматических в зависимости от частоты на 70…140 дБ, широкополосных - более чем на 100 дБ.

Таким образом, разработанный ультразвуковой измеритель параметров вибрации позволяет повысить точность измерений за счет того, что полученные на выходе элемента «И» пачки импульсов высокой частоты, число которых пропорционально разности фаз излученного и отраженного ультразвуковых сигналов, обрабатываются нормирующим устройством, состоящим из Sinc-фильтра и дециматора, что обеспечивает увеличение разрядности отсчетов измерительного сигнала и снижение частоты его квантования до величины, соответствующей частоте колебаний исследуемого объекта.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения вибраций. Ультразвуковой измеритель параметров вибрации, содержащий последовательно соединенные задающий генератор, излучающий преобразователь, взаимодействующий с исследуемым объектом, приемный преобразователь, блок сдвига фазы, фазовой детектор, блок обработки данных. При этом излучающий преобразователь представляет собой первый усилитель и акустический излучатель, приемный преобразователь представляет собой акустический приемник и второй усилитель, блок сдвига фазы выполнен в виде цифровой линии задержки, фазовый детектор выполнен в виде элемента «исключающее ИЛИ», а блок обработки данных включает в себя высокочастотный генератор, выход которого подключен к первому входу элемента «И», который в свою очередь последовательно соединен с счетчиком импульсов, Sinc-фильтром и дециматором, при этом второй вход элемента «И» соединен с выходом элемента «исключающее ИЛИ», выход второго усилителя соединен с входом цифровой линии задержки через первый компаратор, а выход задающего генератора также соединен со вторым входом элемента «исключающее ИЛИ» через второй компаратор. Технический результат – повышение точности измерений. 2 ил.

Ультразвуковой измеритель параметров вибрации, содержащий последовательно соединенные задающий генератор, излучающий преобразователь, взаимодействующий с исследуемым объектом, приемный преобразователь, блок сдвига фазы, фазовой детектор, блок обработки данных, отличающийся тем, что излучающий преобразователь представляет собой первый усилитель и акустический излучатель, приемный преобразователь представляет собой акустический приемник и второй усилитель, блок сдвига фазы выполнен в виде цифровой линии задержки, фазовый детектор выполнен в виде элемента «исключающее ИЛИ», а блок обработки данных включает в себя высокочастотный генератор, выход которого подключен к первому входу элемента «И», который в свою очередь последовательно соединен с счетчиком импульсов, Sinc-фильтром и дециматором, при этом второй вход элемента «И» соединен с выходом элемента «исключающее ИЛИ», выход второго усилителя соединен с входом цифровой линии задержки через первый компаратор, а выход задающего генератора также соединен со вторым входом элемента «исключающее ИЛИ» через второй компаратор.