Способ бесконтактного определения направления вращения и измерения скорости вращения объекта Российский патент 2024 года по МПК G01P3/20 

Изобретение относится к области бесконтактной измерительной техники и струйной автоматики в системах определения направления вращения и измерения скорости вращения объектов, подверженных радиационным воздействиям, работающих во взрывоопасных условиях или в химически опасных средах, например, вращающихся валов роторных машин.

Цель изобретения - расширение возможностей и упрощение систем бесконтактного определения направления вращения и измерения скорости вращения объектов.

Известны струйные датчики угловой скорости (например, Патент РФ №530252 МПК G01P 3/48. Опубл. 30.09.1976. Бюл. №36), содержащий кольцевую проточку статора между двумя приемными соплами, приемные и питающие сопла, вращающийся прерыватель в виде цилиндра с отверстием на образующей, установленный в кольцевом зазоре между совместно перемещающимся в осевом направлении приемными и питающими соплами. Сигналы приемных сопел попадают в камеры статора, а оттуда по каналам к резонатору, например, струйному соплу, усиливаются и преобразуются в гидравлический сигнал системы автоматического регулирования. Недостаток состоит в необходимости преобразования пневматических сигналов в гидравлические, отсутствии возможности бесконтактного определения числа оборотов и направления вращения объекта.

Известен струйный датчик скорости вращения (Патент РФ №503178 МПК G01P 3/26 Опубл. 15.02.1974), содержащий вращающийся прерыватель струй с одинаковыми и равномерно расположенными в нем прорезями, два элемента соплоприемный канал, расположенные по периферии прерывателя под углом между центром приемных каналов, струйный логический элемент НЕ-ИЛИ и камеры, входные дроссели которых соединены с приемными каналами, а выходные дроссели - со входами элемента НЕ-ИЛИ, струйный элемент памяти, входные каналы которого соединены через емкостные элементы с приемными каналами, а выходные каналы - с выходными дросселями камер. Недостатки связаны со сложностью и невозможностью определения направления вращения объекта.

Известен струйный датчик частоты вращения Патент РФ №683348. МПК G01P 3/20, G05D 13/44, опубл. 31.07.2018), содержащий прерыватель в виде диска с прорезями и зубьями, расположенный между парами встречно и соосно размещенных входных и выходных сопел, прорези расположены на длине дуги, в два раза превышающей длину дуги, на которой расположены зубья, и одно входное сопло расположено в плоскости симметрии одной из прорезей, а другое - в плоскости симметрии одного из зубьев. Недостатки связаны со сложностью и невозможностью определения направления вращения объекта.

Известно устройство для определения направления вращение объекта (Патент РФ №528508. МПК G01P 13/00, G01P 3/44, опубл. 25.07.1975. Бюл. №27), содержащее датчик, схему и индикатор в виде симметричного триггера, элемент И, входы которых подключены к фоточувствительным элементам, первые входы подключены непосредственно, а вторые - через общую цепь, состоящую из элемента ИЛИ и триггера Шмидта. Недостатки связаны со сложностью и невозможностью определения скорости вращения объекта.

Известен струйный датчик угловой скорости (Патент РФ №1005560, G01P 3/26, опубл. 20.08.2005), содержащий нагнетатель, замкнутую газовую цепь, состоящую из формирующего сопла, рабочей камеры, чувствительных элементов, выполненных в виде двух металлических нитей, укрепленных на двух токоподводах-держателях, и измерительную схему. Недостатки связаны со сложностью и невозможностью определения направления вращения объекта.

Известен струйный датчик угловой скорости (Патент РФ №2059251, G01P 3/22, опубл. 27.04.1996) содержит герметичный корпус, нагнетатель, сопло, камеру с каналом обратного хода газа, излучатель, систему стабилизации расхода газа и приемник, установленные в канале обратного хода газа, формирователь временного интеробъекта, схему управления, генератор тактирующих импульсов, счетчик, схему сравнения и усилитель-преобразователь. Недостатки связаны со сложностью и невозможностью определения направления вращения объекта.

Известен струйный измеритель угловой скорости (Экспресс-информация, КИТ, 1966, №37, реф. №264, с. 34-42), содержит внешний источник пневмопитания, сопло, формирующие струи газа из питающие и рабочие камеры с приемники пневматических сигналов от давления струй по каналам после рассекателей, симметричных относительно осей струй в плоскостях вращения. Недостатки связаны со сложностью и невозможностью определения направления вращения объекта.

Известен струйный датчик угловой скорости (Патент РФ №1005560, МПК G01P 3/26, опубл. 14.08.79. Бюл. №53) с источником пневмопитания, два чувствительных элемента, расположенные в точках максимального изменения скорости потока под действием угловой скорости, измерительную схему и усилители. Недостатки связаны со сложностью и невозможностью определения направления вращения объекта.

Известен однокомпонентный струйный измеритель угловой скорости (Патент РФ №2810625. МПК G01P 3/26, опубл.: 28.12.2023 Бюл. №1), содержащий датчик, корпус, нагнетатель, первую и вторую камеры, на входе которых размещены блоки формирования ламинарных струй, связанный с выходом нагнетателя, камеры расположены ортогонально относительно оси с образованием замкнутой газовой цепи, а на выходе расположены чувствительные блоки для измерения угловой скорости, однако несмотря на то, что последовательная замкнутая пневматическая цепь повышает точность измерения за счет одинакового расхода газа в обеих рабочих камерах, недостаток состоит в необходимости преобразования пневматических сигналов в электрические, что снижает возможности бесконтактного определения числа оборотов и не обладает возможностью определения направления вращения объекта.

Известен струйный датчик угловой скорости вращения объекта (Патент РФ №615418, МПК G05P 3/22, опубл. 15.07.1978. Бюл. №26), содержащий корпус с измерительной газовой камерой, вход которой через постоянное пневматическое сопротивление связан с источником газа постоянного давления, а выход через канал в корпусе связан с соплом, манометрический измеритель давления в измерительной камере и расходный конус, скрепленный с корпусом датчика, в корпусе симметрично Г-образному каналу выполнен дополнительный Г-образный канал с расходным соплом и расходным конусом, камеру и дренажный клапан. Недостатки состоят в необходимости подвода рабочей среды к вращающемуся датчику и подключения к нему манометрического измерителя давления, и в невозможности определения направления вращения объекта.

Известен измерительный преобразователь угловой скорости (Описание полезной модели к патенту №194913, МПК G01P 3/20, опубл.: 30.12.2019 Бюл. №1), содержащий корпус с измерительной камерой, вход которой через постоянное сопротивление связан с источником постоянного давления рабочей среды, а выход через симметрично расположенные Г-образные каналы с радиальными соплами, частично перекрытыми подпружиненными конусами, измеритель давления подключен к измерительной камере, Г-образные каналы с соплами выполнены в роторе преобразователя, который соединен с контролируемым объектом, конусы закреплены на центробежных грузах, установленных на цилиндрических направляющих ротора, перпендикулярных оси его вращения, для сбора и отвода рабочей среды в корпусе имеется сливная камера. Недостатками являются сложность подвода рабочей среды к вращающемуся датчику, подключения к нему измерителя давления, а также невозможность определения направления вращения объекта.

Известен Способ определения направления вращения вала и устройство для его осуществления (Патент РФ №1170479, МПК Н03М 1/24. опубл. 30.07.1985), основанный на преобразовании вращения вала в несколько сигналов, первый формируют с различной амплитудой положительных и отрицательных полуволн, второй и третий сигналы положительной и отрицательной полярности путем однополупериодного выпрямления первого сигнала, сравнивают амплитуды второго и третьего сигналов, выходной сигнал формируют по результатам сравнения амплитуд второго и третьего сигналов, а о направлении вращения вала судят по полярности выходного сигнала. Недостатками является сложность, низкая помехоустойчивость из-за влияния высокочастотных помех на выходные сигналы, а также невозможность определения скорости вращения объекта.

Известна система для определения числа оборотов и направления вращения вращающегося конструктивного элемента (Патент РФ №2701790. МПК G01P 3/488, опубл. 01.10.2019 Бюл. №28) путем намагничивания вращающегося объекта, который имеет радиальные выступы и впадины, систему питания, датчики, блок обработки выходных сигналов датчиков для определения направления вращения объекта. Недостаток состоит в необходимости намагничивания объекта из ферромагнитного материала, низкая помехоустойчивость из-за влияния высокочастотных помех на выходные сигналы, что снижает возможности системы определения направления вращения и скорости вращения объекта.

Известно явление аэродинамики, при котором направление вихря совпадает с направлением обтекающего потока и силы вязкого трения вокруг вращающегося тела, например, (Магнуса эффект // Большая российская энциклопедия: [в 35 т.] / гл. ред. Ю.С. Осипов. - М.: Большая российская энциклопедия, 2004-2017. URL: Эффект Магнуса - Википедия (wikipedia.org), при этом вращающийся объект создает вокруг себя вихревой поток окружающей среды, когда направление вихря совпадает с направлением обтекающего потока, скорость вращения обтекающего потока увеличивается с увеличением вращения объекта. Ввиду этой разности скоростей возникает разность давлений, порождающая поперечную силу потока окружающей среды, воздействующую на тело и направленную перпендикулярно направлению потока при совместном воздействии таких физических явлений, как эффект Бернулли и образование пограничного слоя в среде вокруг обтекаемого объекта. Однако, вихревое движение потока не используется для определения скорости и направления вращения объекта.

За наиболее близкое по технической сущности к заявляемому техническому решению принят измерительный преобразователь угловой скорости (Описание полезной модели к патенту №203467, МПК G01P 3/20, опубл.: 06.04.2021 Бюл. №10), содержащий корпус с измерительной камерой, вход которой через постоянное сопротивление связан с источником постоянного давления рабочей среды, а выход через симметрично расположенные Г-образные каналы с радиальными соплами, частично перекрытыми подпружиненными конусами, деформацию пружин можно регулировать, измеритель давления подключен к измерительной камере, корпус выполнен неподвижным, Г-образные каналы с соплами выполнены в роторе преобразователя, конусы закреплены на центробежных грузах, установленных на цилиндрических направляющих ротора, перпендикулярных оси его вращения, для регулирования деформации пружин на концах направляющих имеются гайки, а для сбора и отвода рабочей среды в корпусе имеется сливная камера, однако, несмотря на то, что ротор преобразователя является частью контролируемого объекта, Г-образные каналы с соплами, выполненные в роторе, усложняют конструкцию и ограничивают возможности, обусловленные необходимостью подвода постоянного давления рабочей среды от постороннего источника, сложностью подвода рабочей среды к вращающемуся ротору для подключения к нему измерителя давления, и невозможностью определения направления вращения объекта.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги и прототип, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют. Ни одно из известных технических решений не обеспечивает возможности определения числа оборотов и направления вращения объекта за счет признаков, содержащихся в предлагаемом способе определения направления вращения и скорости вращения объекта, что соответствует критериям "новизны и полезности".

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники показали, что отличительные признаки заявленного способа не следуют явным образом из представленных аналогов и прототипа. Из уровня техники также не выявлена известность существенных признаков, предусматриваемых в заявленном изобретении, и достижение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Техническим результатом изобретения является обеспечение бесконтактного определение направления вращения и скорости вращения объекта с использованием вихревого потока окружающей среды в зазоре, который образуется вращением объекта и создает давление для формирования сигналов определения направления вращения и скорости вращения.

Технический результат изобретения достигается путем образования вихревого движения потока окружающей среды вокруг вращающегося объекта в зазоре между кольцевой камерой и объектом при обтекании его потоком окружающей среды, при этом вращающийся объект устанавливают с возможностью прямого и противоположного направления вращения внутри кольцевой камеры с зазором, вращающимся объектом в зазоре кольцевой камеры вызывают прямое или противоположное вихревое движение потока окружающей среды, которое силами вязкого трения и радиальными силами при совпадении с прямым или противоположным направлением вращения объекта внутри кольцевой камеры создает давление, результирующие сигналы о скоростях вращения и о направлениях вращения объекта формируют отводом давления вихревого потока окружающей среды из зазора между объектом и кольцевой камерой по крайней мере, через две симметричные друг другу канавки, диаметрально расположенные на внутренней поверхности кольцевой камеры располагают так, что при вращении объекта относительно кольцевой камеры в первом направлении (А) давление создается в первой канаве, которая в зазоре расположена навстречу движению потока и объекта в первом направлении (А), с выхода первой канавки давление через первый канал подает сигнал на определение направления вращения и сигнал на определение скорости вращения в первом направлении (А), при вращении объекта относительно кольцевой камеры во втором направлении (В) давление потока создается во второй канаве, которая в зазоре расположена диаметрально противоположно первой канавке и навстречу движению потока и объекта во втором направлении (В), с выхода второй канавки давление потока через второй канал подает сигнал на определение направления вращения и сигнал на определение скорости вращения во втором направлении (В). Давление потока на внутренней поверхности кольцевой камеры тем выше, чем выше скорость вращения объекта, внутренней поверхности кольцевой камеры.

Способ бесконтактного определения направления и измерения скорости вращения объекта поясняется чертежом устройства для его осуществления, показанного на чертеже со следующими обозначениями:

1 - вращающийся объект;

2 - кольцевая камера;

3 - зазор;

4, 5 - канавки;

6, 7 - каналы;

8,9 - потоки;

10, 11 - плоская сторона;

12, 13 - кромка;

14 - поверхность.

Устройство определения направления и скорости вращения имеет вращающийся объект 1, который установлен внутри кольцевой камеры 2 с зазором 3 и с возможностью вращения в направлениях А или В. Кольцевая камера 2 имеет канавки 4, 5, каналы 6 и 7, которые подают давление для формирования сигналов на определение направления вращения (А) или (В) и сигналов на определение скорости вращения в направлениях вращения (А) или (В). Канавка 4 плоской стороной 10 и острой кромкой 12 сопряжена с поверхностью 14 кольцевой камеры 2, а канавка 5 плоской стороной 11 и острой кромкой 13 сопряжена с поверхностью 14 кольцевой камеры 2.

Определение направления вращения и скорости вращения объекта осуществляется следующим образом. Вращение объекта 1 увлекает за собой обтекающий его поток окружающей среды, создает вихревое движение потока, образующее силы вязкого трения и радиальные силы в зазоре 3. Силами вязкого трения и радиальными силами при совпадении с прямым (А) или противоположным (В) направлением вращения объекта 1 в зазоре 3 кольцевой камеры 2 создается давление, которое в зазоре 2 тем выше, чем выше скорость вращения объекта 1. Вихревой поток окружающей среды, вращаясь в зазоре 3 вместе с объектом 1 в направлении (А) по плоской стороне 10 попадает в канаву 4 и создает в ней давление потока 8, которое через канал 6 подает сигнал, показывающий скорость и направление вращения (А) объекта 1. Кромка 12 отсекает поток, вихревое движение потока за кромкой 12 в зазоре 3 вновь создает давление. Проходя кромку 13, поток срывается с нее и в канавке 5 образует разрежение, которое препятствует выходу потока в канал 7. Вихревой поток окружающей среды, вращаясь в зазоре 3 вместе с объектом 1 в направлении (В) по плоской стороне 11 попадает в канаву 5 и создает в ней давление потока 9, которое через канал 7 подает сигнал, показывающий скорость и направление вращения (В) объекта 1. Кромка 13 отсекает поток, вихревое движение потока за кромкой 13 в зазоре 3 вновь создает давление. Проходя кромку 12, поток срывается с нее и в канавке 4 образует разрежение, которое препятствует выходу потока в канал 6.

Таким образом, давлением, образующимся силами вязкого трения и радиальными силами при вихревом движении потока окружающей среды в зазоре 3 между объектом 1 и кольцевой камерой 2, осуществляется бесконтактное определение направления вращения и скорости вращения объекта 1 в прямом и противоположном направлениях, при этом, чем выше скорость вращения объекта 1, тем выше давление потока в канавках 8 и 9.

Применение изобретения с использованием давления при вихревом движении потока окружающей среды для формирования результирующих сигналов исключает необходимость в посторонних источниках питания, расширяет возможности определения направления вращения и измерения скорости вращения объектов при радиационных воздействиях, в химически опасных и во взрывоопасных опасных средах.

Изобретение относится к области бесконтактной измерительной техники. Сущность изобретения заключается в том, что способ бесконтактного определения направления вращения и измерения скорости вращения объекта содержит этапы, на которых определение направления вращения и скорость вращения объекта осуществляют с использованием вихревого потока окружающей среды, образующегося в зазоре между кольцевой камерой и объектом за счет вращения объекта в кольцевой камере, что создает давление для формирования сигналов определения направления вращения и скорости вращения. Технический результат – обеспечение бесконтактного определения направления вращения и скорости вращения объекта. 1 ил.

Способ бесконтактного определения направления вращения и измерения скорости вращения объекта, включающий формирование результирующего сигнала при изменении давления потока, создаваемого вращающимся объектом, отличающийся тем, что вращающийся объект устанавливают с возможностью прямого и противоположного направления вращения внутри кольцевой камеры с зазором, вращающимся объектом в зазоре кольцевой камеры вызывают прямое или противоположное вихревое движение потока окружающей среды, которое силами вязкого трения и радиальными силами при совпадении с прямым или противоположным направлением вращения объекта создает давление внутри кольцевой камеры, результирующие сигналы о скоростях вращения и о направлениях вращения объекта формируют отводом давления вихревого потока окружающей среды из зазора между объектом и кольцевой камерой по крайней мере через две симметричные друг другу канавки, диаметрально расположенные на внутренней поверхности кольцевой камеры, направленные навстречу вихревому движению потока окружающей среды, совпадающему с направлением вращения объекта, и соединенные с индивидуальными блоками измерения скорости и блоками определения направления движения, по изменению давления в канавках судят о направлении вращения и скорости вращения объекта.