Устройство контроля скорости Советский патент 1984 года по МПК G08C25/00 

Изобретение относится к автомати задаи механической обработки деталей, предназначено для контроля эне гии удара по скорости вращения рото маховика в винтовых прессах с дуго статорным приводом и может найти применение для контроля параметров вращательного и поступательного дви жения - линейной и угловой скорости частоты вращения, момента инерции и т.п., различных механизмов, напри мер ползунов, осей и т.д. Известны бесконтактные устройств для контроля скорости вращения вала которые содержат размещаемые на конт ролируемом объекте излучающие датчики (например, магниты), либо искусст венные неоднородности (например, зубцы, выемки, зарубки), приемные индуктивные датчики, генератор эта лонной частоты, счетчики и блоки управления и обработки. Работа их основана на измерении временного интервала между импульсами, разнесе ными на период оборота при вращатель ном движении или цикла перемещения при возвратно-поступательном движении l и 2 . К недостаткам такого рода устройств применитель 1о к контролю на винтовых прессах скорости вращения poTOpd-маховика, представляющего собой массивный цельнометаллический ротор дугостаторного электродвигателя, относится слишком короткая зона чувствительности, не превьппающая нескольких миллиметров, что затруд няет использование их на прессах, амплитуда вибраций станины которьпг достигает двух и более миллиметров Это приводит к пропускам, сбоям т.е. надежность и точность контроля в этом случае весьма низкая. Кроме того, эти устройства ненадежно работают в присутствии мощных импульсных электромагнитных полей, что обус ловлено принципом работы индуктивных датчиков и имеют довольно сложную схему выделения информации о ско рости объекта. Помимо этого, к датчи кам этих устройств предъявляются высокие требования в отношении работ их в условиях повышенных температур, поскольку они размещены в непосредственной близости от ротора-маховика, который за-счет вихревых токов нагревается до значительных температ (свьше ) . Известно также бесконтактное акустическое устройство контроля инструмента, содержащее генератор, ультразвуковой излучатель, ультразвуковой приемник со встроенным в одном с ним корпусе блоком согласования, приемный усилитель, синхронизатор и формирователь команд управления. Блок согласования при этом содержит последовательно соединенные ограничитель напряжения, усилитель тока, дифференцирующий элемент, резонансный усилитель, частотный фильтр и преобразователь импеданса L4j. К недостаткам данного устройства относится то, что оно предназначено только для установления факта наличия объекта в контролируемой точке. Устранение этого недостатка требует дополнения устройства cчeтчикa и,блоками обработки и формирования эталонного времени, что вызовет его значительное усложнение. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является радиолокационная станция с когерентноимпульсной селекцией движущихся целей (СДЦ), основанная на использовании эффекта Допплера, содержащая приемно-передающую антенну, кабельную линию связи, коммутатор приемапередачи, генератор, модулятор, когерентный гетеродин, синхронизатор, приемник, состоящий из последовательно соединенных фазового детектора, смесителя с местным гетеродином, усилителя промежуточной частоты (УПЧ), компенсирующее устройство, амплитудный детектор и частотоизмерительную схему (частотомер), формирователь команд управления и индикатор f . Недостатками известного устройства применительно к контролю скорости вращения ротора-махо.вика винтового пресса с дугостаторным приводом является следующее: низкая помехоустойчивость приемного тракта против промышленных (цеховых) импульсных аддитивных помех, действующих как в виде бросков тока в цепях питания тракта, так и электромагнитных наводок, связанных с коммутациями электроприводов цехового оборудования. Обусловлено это равнозначностью для антенны (датчика) полезных сигналов и наводок, поскольку и те и другие предстапляют собой электромагнитные импульсы. Кро3не того, информация на выходе фазового детектора появляется в - езупътато. суммирования поданных на него колебаний с различными фазовыми соотношениями, и, когда в нем помиМО полезного и опорного (с когерентного гетесодиня) сигналов появляетс импульс помехи, он также будет просуммирован с остальными, что приведет к ложной информации на выходе детектора и, соответственно, к снижению надежности контроля. Повышени помехоустойчивости данного устройст ва требует значительного его усложн ния} наличие неконтролируемых скорост когда последовательность отраженных от движущегося объекта импульсов на выходе фазового детектора не имеет огибающей допплеровской частоты, что соответствует отражению от неподвижного объекта (например, окруж щей арматуры); это значительно снижает надежность контроля и вызвано тем, что с ростом скорости в зависи мости.от соотношения допплеровской частоты модуляции (огибающей)ig- и повторения „ импульсов частота мод ляции пульсирует, т.е. сначала линейно растет, достигая максимума при iff , затем линейно спадает и равна нулю при равенстве этих частот, затем процесс повторяется, а поскольку if пропорциональна величине скорости объекта, это и означает наличие неконтролируемых ско ростей, устранение этого явления в данном устройстве приводит к его значительному усложнению; большие габариты антенны (датчик поскольку для создания хотя бы мини мальной направленности излучения и приема приемно-излучающая поверхность антенныдолжна иметь поперечн размеры не менее длины волны, что составляет десятки сантиметров и вы зывает значительные конструктивные трудности в обеспечении свободной от арматуры зоны контроля; большая сложность устройства, обусловленная наличием двух гетеродинов, двух детекторов, компенсирую щего устройства и частотоизмеритель ной схемы, при этом когерентный гет родин, являясь наиболее ответственным узлом устройства, от которого .требуется высокая стабильность частоты и фазы колебаний и очень точно 04 согласование по фазе с импульсом генератора, сам имеет весьма сложное устройство} не менее сложны компенсирующее устройство, состоящее из блока задержки и блока вычитания, и собираемое чаще всего на потенциалокскопе, и частотоизмерительная схема, представляющая собой частотомерсложность выделения информации о скорости из отраженного сигнала, заключающаяся в двойном .его преобразовании, в фазовом и амплитудном детекторах, что приводит к снижению надежности и точности контроля кроме того, преобразование смещение фазы - частота - скорость усложняет схему устройства и, в частности, регистрирующие цепи, что приводит к снижению надежности устройства. Цель изобретения - повьш1ение помехоустойчивости и надежности контроля, упрощение устройства, уменьшение габаритов датчика, а также упрощение выделения информации и повышение надежности устройства. Поставленная цель достигается тем что в устройство, содержащее приемноизлучающий датчик, генератор, аттенюатор, первую, вторую и третью кабельные линии связи, усилитель, первый выход генератора через Первую кабельную линию связи Подключен ко входу прйемно-излучающего датчика, второй выход генератора подключен ко входу аттенюатора, введены частотньй детектор, первый и второй ключи, ячейка аналоговой памяти, дифференциальный усилитель, компаратор, задатчик скорости, генератор тактовых импульсов, формирователь команды управления, к входу частотного детектора подклю-: чены выход усилителя и через третью кабельную линию связи выход аттенюатора, выход частотного детектора подключен к сигнальным входам первого и второго ключей, с управляющими входами которых соединены соответственно первый и второй выходы генератора тактовых импульсов, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно к первому входу формирователя команды управления л ко входу генератора, вькод второго ключа соединен с первым входом ячейки аналоговой памяти, выход которой подключен к первому входу дифференциального усилителя, со вторым входом которого соединен выход первого ключа, выход S1 дифференциального усилителя, подключен к первому входу компаратора, со вторым входом которого соединен выход задатчйка скорости, выход компаратора подключен ко второму входу фор мирователя команд управления, выход приемно-излучающего датчика через вторую кабельную линию связи соединен с первым входом усилителя, первый выход генератора тактовых импульсов подключен ко вторым входам усилителя и ячейки аналоговой памяти. На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройстваi на фиг.2 - амплитудно-частотная характеристика частотного детектора. Приемно-излучакяций акустический датчик 1 содержит пьезопреобразователь и размещенньй в одном с ним корпусе блок согласования, состоящий из ограничителя напряжения и элементов усиления сигнала и согласования пьезопреобразователя с нагрузкой датчика Ограничитель напряжения здесь дополнительно вьтолняет функции коммутатора приема-передачи, поскольку датчик данного устройства имеет один пьезопреобразователь, игракщий роль излучателя и приемника. Датчик подклю чен коаксиальными кабелями 2 и 3 COOT ветственно к первому выходу генератора А, служащего для формирования в виде радиоимпульсов напряжения возбуждения пьезрпреобразователя датчика и к сигнальному входу приемного усилителя 5 и служит для преобразования электрических радиоимпульсов генератора в акустические зондирующие импульсы, излучения их в среду в направлении объекта, приема этих импульсов, отраженных от объекта, преобразования их в электрические, предварительного усиления и селекции принятого сигнала, согласования волновых сопротивлений пьезопреобразователя и коаксиального кабеля и коммутации режимов работы схемы. Второй выход генератора через последовательн соединенные аттенюатор 6, предназначенный для ослабления выходного на пряжения генератора, коаксиальный кабель 7 и выход приемного усилителя подключены ко входу частотного детектора 8, предназначенного для преобразования отклонения ai частоты высокочастотного заполнения поступающих на его вход импульсов от собственной его частоты настройки в постоянное напряжение, пропорциональное величине 06 отклонения. Выход частотного детектора подключен к соединенным в параллель сигнальным входам ключей 9 и 10, управляющие входы которых подключены соответственно к первым и вторым вы- ходам генератора 11 тактовых импульсов (ГТИ), предназначенного для формирования импульсов управления и синхронизации работы узлов и блоков устройства Ключ 10 предназначен для передачи аналогового сигнала возбуждения излучателя от частотного детектора на вход ячейки 12 аналоговой памяти, служащей для кратковременного запоминания этого сигнала на период до прихода сигнала, отраженного от объекта, и своим выходом подключен к сигнальному входу ячейки, управляющий вход которого подключен к первому выходу ГТИ. Ключ 9 предназначен для передачи отраженного от объекта аналогового сигнала от частотного детектора на вход дифференциального усилителя (ДУ) 13 и подключен своим выходом к прямому сигнальному входу ДУ, к инверсному сигнальному входу которого подключен вьпсод ячейки аналоговой памяти. ДУ предназначен для взаимного вычитания аналоговых сигналов, поступающих одновременно на его входы с ключа 9 и ячейки 12, выделения их разности, усиления ее или пропорционального пересчета ее в другой аналоговый сигнал, пропорциональньш кинетической энергии тела, частоте вращения и т.п. и передачи разностного сигнала на вход компаратора 14и подключен своим выходом к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с вькодом задатчйка 15скорости, представляющего собой сменную уставку, и предназначенного для создания на втором входе компаратора опорного сигнала, соответствую-. щего заданному уровню скорости. Выход компаратора подключен к сигнальному входу формирователя 16 команд управления (ФКУ), служащего для формирования стандартного сигнала отключения дугостаторного привода роторамаховика при достижении им заданной скорости. Первый вход ФКУ подключен к третьему выходу ГТИ, четвертый выход которого подключен к управляющему входу генератора 4. Выход ФКУ подключен к исполнительным органам управления прессом. Электрические сигналы возбуждения датчика 1 в виде радиоимпульсов длительностью t , частотой заполнения и частотой повторения i по коаксиальному кабелю 2 с выхода генератора А, управляемого поступающими на его вход П-импульсами с четвертого выхода ГТИ, через коммутатор приемапередачи блока согласования датчика поступают на его пьезопреобразователь где преобразуются в акустические тех же параметров (зондирующие импульсы) и излучаются в воздушную среду в направлении объекта. Одновременно со второго выхода генератора через аттенюатор 6 и коаксиальный кабель 7 рслабленньй импульс возбужде-15 ния поступает на частотный детектор 8, входные цепи которого настроены на частоту to так, что при отсутстви отклонения ui частоты пришедшего на. его вход сигнала, от его собственной частоты настройки напряжение на его выходе имеет нулевой уровень, а при наличии отклонения - отличньй от нуля и линейно зависящий от величины отклонения в пределах от (+ uf „ до () полосы пропускания детектора. Амплитудно-частотная характ ристика детектора представлена на фиг.2, где по горизонтальной оси обо начено отклонение &.i: частот, а по вертикальной - вькодное напряжение Uguij детектора. Величина )( обусловлена параметрами схемы детектора и выбирается из условия максимально возможного отклонения ее в решаемой данным устройством задаче. С выхода частотного детектора сигнал с уровнем, соответствующим истинному значению частоты заполнения зондирующего импульса, т.е. с учетом временной и температурной нестабильности ii частоты схемы, и в частности, генератора и частотного детектора, поступает, на ключ 10, открытый на время действия зондирующего импульса управляющим сигналом со второго выхода ГТИ 11, и с его выхода подается в ячейку 12, где запоминается на вре мя излучения зондирующего импульса и начинает считываться с момента прихода на управляющий вход ячейки 12 с первого выхода ГТИ управляющего сигнала, соответствую1цего началу при ма отраженного импульса. Считываемый с выхода ячейки 12 сигнал подается на инверсный вход ДУ 13. Зондирующие импульсы, дойдя до объекта, отражаются от него и попадают вновь на пьезопреобразователь в период пау

зы до начала следующего зондирующего импульса. -На пьезопреобразователе отраженные акустические импульсы вновь преобразуются в электрические и через коммутатор и остальные злементы блока согласования датчика по коаксиальному кабелю 3 подаются на приемный усилитель 5, который в это время уже открыт управляющим импульсом, поступающим на его первый вход с первого выхода ГТИ 11. Если при этом сигнал отразился от объекта, движущегося со скоростью V , то на основании эффекта Допплера частота высокочастотного заполнения импульса в соответствии с изменением величины и направления скорости получает приращение, называемое допплеровским смещением частоты,которое выражается в виде , .fg -±:iP, где big допплеровское смещение частоты;угол между направлением излучения и нормалью к поверхности контролируемого объекта;скорость движения объекта - частота заполнения зондирующего импульса (частота настройки генератора)J С - скорость звука в среде. Плюс перед дробью означает, что вектор скорости точек контролируемой против направповерхности направлен ления излучения, а минус - по нааправлению излучения. Следовательно, заполнение в отраженном импульсе представляет собой частотно-модулированное колебание, в котором величина смещения частоты, как видно из приведенного вьфажения, находится в линейной зависимости от скорости движения объекта. При этом параметры зондирующего импульса выбираются из соотношенийV OH i н tiCг/C% 1„6(С/2О, гдeйf. - нижнее значение допплеровского смещения частоты, соответствующее нижнему значению диапазона скоростей контролируемого объекта; Y - расстояние от датчика до контролируемого объекта. Частота ij, заполнения импульса (частота настройки генератора) является резонансной частотой пьезопреобразователя и выбирается из условий затухания ультразвуковых волн в данной среде на расстоянии, равном 2т. Расстояние г до контролируемого объекта за счет использования акустической локации составляет до нескольких десятков сантиметров и выбирается так, чтобы уровень температуры, обусловленньй теплоизлучением разогретого до 300f QO C ротора-маховика, в месте уста новки датчика не превышал допустимого. Кроме того, величина частоты fp должна обеспечивать максимальную направленность датчика с целью полу чения максимального уровня энергии в отраженном сигнале, что обеспечи вается выбором размеров приемно-излучающей поверхности датчика. Для обеспечения высокой направленности (угол раствора характеристики напра ленности не превышает 30 ) на наибольшем размере приемно-излучающей поверхности должно укладьгеаться не менее, четырех длин волн излучаемой частоты. Поскольку для датчиков, работающих в воздушной среде, длины излучаемых волн составляют 1-5 мм, то наибольший размер приемноизлучающей поверхности датчика не превьшает 20 мм, что на 1-2 порядка меньше в сравнении с прототипом. Отраженный сигнал, усиленный в усилителе 5, подается далее на частотный детектор 8, с выхода кото рого снимается постоянное напряжени с уровнем, пропорциональным отклоне нию частоты заполнения отраженного импульса от частоты Q или, что то же самое, от частоты настройки частотного детектора. Это отклонение частоты включает в себя нестабильность частоты генератора, которая присутствует в зондирукнцем импульсе и частотного детектора, а также доп плеровское смещение частоты, пропор циональное скорости и направлению движения объекта. С выхода детектор сигнал подается на сигнальный вход ключа 9, который в это время открыт управляющим импульсом-с первого выхода ГТИ (ключ 10 соответственно закрыт управлянлцим импульсом со вто рого выхода ГТИ), и с его.выхода на прямой вход ДУ 13. При появлении в приемном тракте импульсов помехи. 9010 представляющих собой видеоимпульсы сложной формы, являющихся основным видом помех в цеховых условиях и возникающих вследствие бросков тока в цепях питания либо электромагнитной наводки, обусловленных коммутациями электроприводов цехового оборудования, действие на их резонансные цепи приемного тракта, в том числе и частотного детектора, проявляется в том, что каждый из фронтов видеоимпульсов помехи возбуждает контуры на их резонансной частоте, в данном случае на частоте Д . Однако, как следует из принципа работы частотного детектора, на этой частоте его выходной сигнал имеет нулевой уровень (фиг.2), Это означает, что цеховая помеха в нагрузку частотного детектора практически не проходит, и, следовательно, помехоустойчивость и, соответственно, надежность контроля данного устройства в сравнении с известными значительно выше. В ДУ оба сигнала с выхода ячейки 12 и ключа 9, уровни которых соответствуют приращениям частоты заполнения зондирукщего и отраженного импульсов, взаимно вычитаются, образуя на выходе его остающийся нескомпенсированным разностный сигнал, обусловленный только допштеровским смещением частоты, т.е. пропорциональный только величине скорости контролируемого объекта. С выхода ДУ сигнал подается на первьй вход компаратора 14, на другой вход которого подается опорный сигнал с задатчика 15 cKoipocTH, представляющего собой сменную уставку, например, резистор, включенный в цепь питания схемы: падение напряжения с которого, соответствующее заданному порогу скорости ,и подается на второй вход компаратора. При этом, если использовать известные соотношения, связывающие скорость с кинетической энергией тела, частотой вращения или углом по- ворота вала (оси, маховика), установив соответствующие уставки в задатчике 15, то данное устройство будет регистрировать непосредственно энергию удара пресса, частоту вращения или угла поворота вала (маховика, оСи) и т.д. При равенстве на входах компаратора сигнала с выхода ДУ и опорного с задатчика скорости на выходе Компаратора появляется сигнал который подается на сигнальный вход формирователя команд управления (ФКУ) 16, на первый вход которого с третьего выхода ГТИ подается сигнал управления. ФКУ формирует .стандартный сигнал отключения электропривода ротора-маховика при достижении им порогового значения скорости, чему соответствует появление сигнала на выходе компаратора. Как видно из фиг.1, схема данного устройства в сравнении с известным значительно проще, особых требований на ее узлы и блоки (кварцевание частоты генератора, термостабильност высокая добротность, стабильность фаз и частот и т.п.) не накладываетс выделение информации о скорости осуществляется один раз линейным преобразованием в детекторе (фиг.2). При этом информация о скорости залож на в уровне выходного напряжения детектора, что обуславливает простоту дальнейшей ее обработки и регистрации и в конечном итоге повьпиает надежность устройства; Монотонная линейная зависимость уровня выходного напряжения детектора во всем диапазоне заданных скоростей обеспечивает отсутствие неконтролируемых скоростей объекта. Кроме того, устройство контролирует не только уровень ско-рости, но и ее направление, что также видно из графика на фиг.2. Применение изобретения практически исключает выход бракованной продукции, обусловленный отсутствием надёжного контроля дозирования энергии удара, и возможные при этом поломки пресса, соответственно повыщает качество продукции и производительность работы на винтовых прессах с дугостаторным приводом.

УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СКОРОСТИ, содержащее приемно-излучающий датчик, генератор, аттенюатор, первую, вторую и третью кабельные линии связи, усилитель, первый выход генератора через первую кабельную линию связи подключен к входу приемно-излучающего датчика, второй выход генератора подключен ко входу аттенюатора, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и упрощения устройства, в него введены частотный детектор, первый и второй ключи, ячейка аналоговой памяти, дифференциальный усилитель, компаратор, задатчик скорости, генератор тактовых импульсов, формирователь команды управления, к входу частотного детектора подключены выход усилителя и через третью кабельную линию связи выход аттенюатора, выход , частотного детектора подключен к сигнальным входам первого и второго ключей, с управляющими входами которых соединены соответственно первый и второй выходы генератора тактовых импульсов, третий и четвертый выходы которого подключены соответстi венно к первому входу формировате- , ля команды управления и ко входу генератора, выход второго ключа соединен с первым входом ячейки аналоговой памяти, выход которой подключен к первому входу дифференциального усилителя, .с вторым входом которого I соединен выход первого ключа, вы- j ход дифференциального усилителя подключен к первому входу компаратора с вторым входом которого соединен выход задатчика скорости, выход компаратора подключен к второму входу со формирователя команд управления, выо ход приемно-излучающего датчика через вторую кабельную линию связи соединен с первым входом усилителя, первый выход генератора тактовых импульсов подключен к вторым входам усилителя и ячейки аналоговой памяти.

%/X.

. Фиг.2