Устройство для измерения параметров вращающихся объектов,преимущественно температуры,скорости и радиальных биений Советский патент 1983 года по МПК G01K13/08 G01P3/36 G01H1/04 

1 Изобретение относится к измерительной технике и может использоват ся для беспроводных дистанционных измерений параметров преимущественно температуры, угловой скорости и радиальных биений вращающегося объекта. 11звестно устройство для измерения тзмпературы с бесконтактной передачей сигнала с объекта на измерительное устройство. Оно состоит и размещенных на вращающемся объекте .термопары, магнитопроводас измерител ной обмоткой и неподвижных источника плоско-поляризованного света из мерителя угпа вращения плоскости по ляризации ГОНедостатком этого устройства явл ется низкая помехоустойчивость. При наличии внешних магнитных полей (на водок) будет изменяться внутреннее магнитное поле измерительной обмотки, что.приведет к значительным погрешностям в определении температур Это устройство невозможно использовать для измерения температуры рот ров электродвигателей, генераторов и других объектов, где при вращении создаются магнитные поля или поблизости находятся их источники. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для измерения температуры, содержащее последовательно расположенные источник монохроматического излучения, двс1 скрещенных линейных поляризатора, между-которыми размещен термочувствительный, двулучепрелом- ляющий кристалл, оптический компенсатор разности фаз, установленный между одним из поляризаторов и двуд чепреломляющим кристаллом, узкополо ный светофильтр, установленный перед фотоприемником, а также нуль-индика тор и счетчик импульсов, подключенные к выходу фотоприемника. Работа устройства основана на регистрации периодической интенсивности света, падающего на приемник излучения вслед ствие температурной зависимости раз ности фаз прошедшей через термочувствительный элемент световой волны Г2. Недостатком данного устройства я ляется невозможность -измерения температуры вращающихся объектов, скорости вращения и радиальных биений. 0 Кроме того, при определении температуры нужно проврдить дополнительную операцию, т.е. определять остаточную разность фаз с помощью компенсатора. Цель изобретения - повышение точности измерения температуры вращающегося объектаi а также обеспечения возможности измерения его скорости вращения и радиальных биений. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения температуры, содержащем источник монохроматического излучения, по ходу лучей которого размещены датчик, выполненный в виде плоскопараллельной пластинки из термочувствительного двулучепреломляющего кристалла, и поляризатор, неподвижный приемник излучения, счетчик импульсов, отсчетиое устройство, его датчик, на одну из сторон плоскопараллельной пластинки двулучепреломля.ющего кристалла которого напылена отражающая зеркальная поверхность, закреплен на вращающемся объекте, при этом центр датчика совмещен с осью вращения объекта, а в устройство введены сглаживающий фильтр, полупрозрачное зеркало, установленное между датчиком и источником монохроматического излучения под углом (5 к его оптической оси, фокусирующая линза, размещенная между поляризатором и неподвижным приемником излучения, один из выходов которого соединен с входом частотомера, а другой - с входом сглаживающего фильтра, выход которого роединен с входом счетчика импульсов, причем отсчетное устройство установлено по ходу отраженного от полупрозрачного зеркала луча, а его оптическая ось совпадает с нормалью к полупрозрачному зеркалу. Расположение датчика, выполненного из плоскопараллельной пластинки двулучепреломляющего термочувствительного кристалла, на одну из сторон которого напылено зеркальное покрытие, обеспечивает одновременное измерение трех параметров вращающегося объекта (темпрратуры Т, частоты вращения л , радиальных биений ). Нафиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 показаны сигналы, регистрируемые приемником излучения при различных частотах (а) и температурах (б) объекта ; на фиг. 3 - дана зависимость от пературы сигнала, поступающего на счетчик импульсов. Устройство состоит из источника 1 плоско-поляризованного монохроматического света (лазера), полупрозрачного зеркала 2, кристаллической двупреломля1ощей плоскопараллельной пластинки 3 с зеркальной подложкой 1 3, поляризатора , фокусирующей лин .зы 5, приемника 6 излучения, частототомера 7 сглаживащего фильтра 8, аналогового реверсивного счетчика для подсчета числа синусоидальных импульсов с измерителем 9 амплитуды напряжения синусоидальных сигналов, отсчетного устройства 10. Кристаллическая пластинка имеет механический и термический контакт с вращающимся объектом Работа устройства основана на том чт6 регистрируемая приемником интенвивность света О описывается выражениемI . D-aoSivi CS.J2)sitt 2 , C-n { S-- . , . гдед«(п-г/)й - разность фаз меж ду двумя лучами, образовавшимися после прохождения двупреломляющего кристалла толщиной d; п и п - зависящие от тем пературы показате ли преломления кристалла; JL --длина волны испол зуемого лазера; f - угол между одним из направлений ко лебаний света в кристалле и напра лением колебаний в поляризаторе (угол поворота объекта). ПриЛ соп51 разность фаз зависит только от температуры кристалла, так что выражение А Эоб1И(д|2) (2) можно рассматривать как зависящую от температуры амплитуду колебаний интенсивности 13«А siп 2 Ч. Посколъку угол Vf характеризует поворот кристалла относительно полярИзато- . ра, то он дает информацию о скорости вращения объекта. При фиксированной 1 0 температуре A const вращение объекта описывается угпом f в пределах О-21С и интенсивность света будет изменяться по закону частотой, пропорциональной скорости вращения объекта и постоянной амплитудой А, Интенсивности света, регистрируемые приемником излучения при вращении объекта, для ряда значений частот вращения показаны На фиг. 2в. Частотомер, подключенный к выходу приемника излучения, покажет учетверенную частоту вращения объекта, так как в кристалле существует два направления колебаний света и за один оборот они четыре раза совпадут с нагфавлениями колебаний неподвижного анализатора и лазерного излучения. С изменением температуры, вслед-. ствие температурной завийнмости Д, амплитуда А будет изменяться по зако-,. ну может быть представлена в виде - -г A(vrtT+u.t). А-в1и 1Г Из этого выражения видно, что некоторой величине фототока отвечает набор температур (), где , it, . ±2,..,,+т; Т - характерный для избранного датчика интервал температур, при прохождении которого интенсивносгь света изменяется в пределах одного Периода. Интенсивности света, регистрируе- мые приемником излучени при измен(В-, НИИ температуры вращающегос; объекта, показаны на фиг. 26, . из-за частичной деполяризации света в системе. После прохождения такой системы импульсов фототека ,3 А через сглаживающий фильтр получим зависимость амплитудыА от температуры, показанную яа фиг.З. Искомая температура среды может быть представлена соотношением : + , (4) . где t - известная исходная температура запуска (настройки) прибора, отвечающая tktoQ и . m - число минимумов фототока{ Т - характерный интервал температур для данного датчика (период ; k,t . - изменяется в пределах 0-Т (дробные значения Т). При подаче сигнала на аналоговый счетчик синусоидальных сигналов с измерителем промежуточных значений яапряжений между двумя их максимаяьными (или минимальными) значениями| можно определить температуру измеряемого объекта. Количество максимумов m (т.е. число целых периодов Т) отсчитывают счетчиком, а л1 (дробные значения Т) определяют по промежуточному значению напряжения (между максимумом и минимумом) синуесоидального сигнала где М - общее число меток шкалы вольтметра, отвечающее изме нению температуры на Т/2; число меток, отвечающее прО межуточному значению напряж ния (значению температуры и интервала О-Т/2). Отклонение напряжения от максимума к минимуму будет соответствовать температурному диапазону Т/2. Для определения радиальных биений вращающегося объекта следует с помощью зоровой трубы, монокуляра или другого оптического прибора с отсметным устройством определить параметры све тящегося кольца на полупрозрачном зеркале, образованного лучем лазера вследствие радиальных биений вала . Исходя из формулы --огс-Ьй о1Т Сб) где d. - диаметр светящегося кольца. г-1- -г-1- - - г- - .-,- ,, H - расстояние от кристалла (датчика ДО полупрозрачного зеркала, легко определить угол радиальных биений вала. При отсутствии биений на пол прозрачном зеркале вместо кольца будет наблюдаться неразмытое све |Тящееся пятно с диаметром равным с нению луча лазера. Устройство работает следующим образом. Измерение температуры. При освещении кристалла-датчика 3 поляризованным монохроматическим светом, лучи, прошедшие через кристалл и отраженные от его зеркальной подложки, через полупрозрачное зеркало 2, поляризатор if, фокусирующую линзу 5 попадут на приемник 6 излучения. Разность фаз, приобретенная лучами вследствие прохождения двупр ломляющего кристалла, и соответстве но интенсивность светового потока и величина фототока на рыходе приемиика излучения будут функцией температуры. Фotoэлeктpичecкий сигнал, ftpoxoдя через сглаживающий фильтр 8, попадает на вход аналогового реверсивного счетчика для подсчета числа синусоидальных импульсов с измерителем 9 амплитуды напряжения синусоидальных сигналов. На счетчике появится целое число т, .отвечающее числу максимумов фототока, который как и интенсивность светового потока, будет изменяться по синусоидальному закону, а измеритель амплитуды напряжения укажет промежуточное значение напряжения (между максимумом и минимумом фототока), по которому определяют величину A.t. Таким образом, зная характерный интервал температур Т для данного датчика-кристалла и исходную температуру запуска (температура окружающей среды) tд , по формуле Ь --Ьо-t-wiT- -л.-Ь определяют искомую температуру вращающегося объекта. Измерение угловой скорости. При освещении кристалла-датчика 3 поляризованным монохроматическим светом, лучи, прошедшие через кристалл и отраженные от его зеркальной подложки, через полупрозрачное зеркало 2, поляризатор 3 фокусирующую линзу 5 попадут на приемник 6 излучения. Вследствие того, что направле 1с;пг| л . uuj i OKJ с i чл w, м г w piai aj ic „ие колебаний излучения источника света и поляризатор скрещены, интенсивность света, прошедшего через такую систему, будет промодулирована по частоте, которая равна учетверенной частоте вращения объекта. Импульсы фототока поступают с приемника излучения на частотомер 7, показания которого делят на четыре К так как в кристалле существует два /направления колебаний света и за один оборот объекта они четыре раза совпадут с направлениями колебаний неподвижного анализатора и излучения источника света ) и лолучают искомую частоту вращения. Определение радиальных биений. При освещении датчика 3, лучи, прошедшие через кристалл и отраженные от его зеркальной подложки, попадут на полупр03pai Hoe зеркало 2. При вращении объекта, в случае отсутствия биений на полупрозрачном зеркале, наблюдают неразмытое светящееся пятно. При наличии биений на полупрозрачном зеркале- появится светящееся кольцо диаметр и ширина которого будут возрастать с возрастанием биений.

С помощью отсчетного устройства 10 (монокуляр, зоровая труба) определяют диаметр светящегося кольца d и, зная расстояние от кристалла к полупрозрачному зеркалу Н, по формуле

1.

ol i QVC-tg 2Н

определяют угол радиальных биений.

С помощью предлагаемого устройства можно измерять одновременно радиальные биения, скорость вращения и температуру в широком интервале без изменения типа кристалла. Выбор кристаллов для активного элемента (датчика) устройства слабо ограничен, основными условиями являют- ся наличие двупреломления и прозрачность на длине волны .применяемого монохроматического источника света.

Таким образом, повышение точности, тве. измерение температуры вращающегося объекта скорости вращения и радиальных биений в предлагаемом устройстве достигается тем, что измерение параметров вращающегося тела (температуры, скорости вращения и радиальных биений) производится с помощью одногр устройства без дополнительной перестройки и регулировки применяемой аппаратуры. Оптическая связь кристалла с регистрируемыми приборами дает возможность проводить исследования дистанционно, в условиях агрессивных сред, магнитных, электрических полей. С помощью предлагаемого устройства можно измерять температуру вращающегося тела в широком интервале без изменения типа кристалла. Верхний предел измерения температуры ограничен температурой плавления кристаллов (в настоящее время tf, ) Кроме того, точность измерений скорости вращения не зависит от стабильности источника и фотоприемника излучения в связи с наличием модуляции светового потока, создаваемой вращением кристалла.

Требуемая точность измерений температуры достигается заданием харг ктерного периода температУрТ, который определяется параметрами используемого кристалла. Для известных кристаллов можно задать период Тл2-0,1 К и соответственно точ-. ность измерений температуры может составлять (УТ±0,005 К,

Точность измерений радиальных биений возрастает (при условии плоскопараллельности кристаллической пластинки) -с увеличением расстояния между полупрозрачным зеркалом и кристаллом-датчиком.

Одновременное измерение темпера туры, частоты и радиальных биений вращающихся объектов приводит к заачительному повышению экономи1Йности устройства.

т

pue.3

ЛТЛГ