Устройство для измерения нестабильности частоты вращения вала Советский патент 1986 года по МПК G01P3/48 

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения неравномерности вращения вала, например, в аппаратах магнитной записи.

Цель изобретения - повьшение точности и расширение частотного диапазона измерения.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 1 - конструкция преобразователя угла поворота; на фиг. 3 - эпюры действующи сигналов.

Устройство содержит преобразователь 1 угла поворота, включающий диск 2, жестко закрепленный, например, с помощью цангового зажима.3 на исследуемом валу 4, между двумя катушками 5 индуктивности тороидальной формы в зазоре их магнитопрово- доз с возможностью свободного вращения на валу 4. Катушки 5 индуктивности включены последовате;7ьно-вст- речно и жестко скреплены между собой держателем 6. На плоскости диска 2 на площади, ограниченной двумя окружностями разных диаметров 7 и 8, выбираемых из соотношения

(0,80j..,,0,95)D, d.-(0,55,,..,0,75)D,

где d, - диаметр большой окружности 7;

dg - диаметр меньшей окружности 8;

D - диаметр диска 2, причем центр большей окружности 7 совпадает с осью вращения диска 2, а центр меньшей окружности 8 смещен относительно оси на величину

d I - ds

нанесен слой 9 ферромагнитного ма- т.триала, например никеля.

Упг авляемый генератор 10 высокой частоты сострит из генератора 11 вы- сской частоты и согласующего полосового усилителя 12. Генератор 11 высокой частоты может быть выполнен по скеме емкостей трехточки, например, на транзисторе ГТ313Б.При этом индуктивность катушек 5 включена непосредственно в резонансный ко.нтур генератора 11 высокой частоты. Согласующий полосовой усилитель 12 может быть собран, например, на тран02

зисторах ГГ313Б и ПС311Б. Частотный детектор 13 для уменьшения нелинейных искажений может быть выполнен на транзисторах КП305Д по схеме частот- .

ного детектора с обратной связью. Интегратор 14 выполнен на двух микросхемах - операционных усилителях типа К140УД8А. Управляемый генератор 15.низкой частоты содержит схему 16

выделения модуля сигнала и усреднения, которая собрана по известной схеме, и преобразователь 17 напряжение - частота, который может быть выполнен на операционном усилителе

типа К140УД8А по известной схеме. Фазометр 18 содержит фазовый детектор 19, фильтр 20 низкой частоты и индикатор 21. Фазовый детектор 19 выполнен на базе интегрального перем ножителя К525ПС1 по известной схеме. Фильтр 20 низкой частоты можно, например, выполнить на базе операционного усилителя К140УД8А по известной ; сх.еме. В качестве индикатора 21 может быть применен цифровой универсаль- ный вольтметр, например, В7-23. В качестве блока 22 вычисления нестабильной частоты можно использовать ЭВМ, например микро-ЭЗМ Электроника-бОМ.

В качестве регистрирующего прибора 23 можно применить, например, свето- гучевок осциллограф типа Н-117.

Устройство работает слез|у1ощим образом.

Диск 2 с помощью цангового зажима 3 устанавливается на исследуемый вал 4 так, чтобы катупжи 5 индуктивности были расположены симметрично относительно диска 2.

Поскольку частоты колебаний генератора 11 высокой частоты совпадает с резонансной частотой контура «о s можно считать, что 1

S

где L - индуктивность контура;

С - емкость.

При изменении индуктивности контура на величину fiL(t) соответствую- 50 щае изменение частоты определяется из выражения

1

0)„Ч- ДО) (t)

+ bL(t) с

55 В предложенной конструкции преобразователя 1 угла поворота изменение индуктивности uL(t) составляет еди- ш-пдьз процентов.

В этом случае справедливо соотношение

4to (t)

1

uL(t)

W,

или

A«(t) -К uL(t),

где К - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, при малых относительных изменениях величины л со (t) и U L(t) связаны линейной зависимостью. Знак минус показывает, что положительному приращению индуктив- нести л L(t) соответствует отрицательное приращение частоты &W (t).

При вращении диска 2 в зазорах магнитопроводов катушек 5 индуктивности происходит периодическое изменение площади ферромагнитного материала В, нанесенного на плоскость диска 2 и пронизываемого магнитным потоком катушек 5 индуктивности. При этом происходит изменение суммарной индуктивности катушек 5 по закону (фиг. За)

L(t) LO + LQ cos 2 Qt,

где L - амплитуда колебания суммарной индуктивности} W - частота вращения вала 4. Поскольку катушки.5 включены в резонансный контур генератора 11 высокой частоты, то управление частотой его колебаний осуществляется прямым изменением индуктивности контура, что приводит к изменению частоты настройки контура и, следовательно, частоты генератора 11 высокой частотьг. Таким образом осуществляется частотная модуляция напряжения генератора 11 высокой частоты. Изменение частоты генератора 11 высокой частоты определяется выражением

со (t) ы, + ы„соб 2cot,

2 п f - средняя частота коле2ы

Wr

бания (в отсутствие

модуляции); -частота модуляции; - девиация частоты.

Значение напряжения на выходе ге50 средней частотой вращения вала. Таки образом, на входы фазового детектора 19 подаются сигнал, пропорциональ ный мгновенной частоте вращения, и сигнал, пропорциональный средней час

нератора 11 высокой частоты (фиг. 36) 55 тоте вращения. После сравнения укаопределяется вьфажением U(t)UoSin («ot +

- sin 2 G) t)

Согласующий полосовой усилитель 12 настроен на среднюю частоту колебаний Щд и усиливает сигнал до величины, необходимой для работы частотного детектора 13. В последнем осуществляется детектирование частотно-модулированного сигнала, в результате чего сигнал на его выходе (t) изменяется с частотой модулирующего колебания, т.е. с частотой вращения вала (фиг. Зв). Далее этот сигнал поступает на интегратор 14 и фазометр 18. Поскольку на интегратор 14 поступает периодический

сигнал без постоянной составляющей, то амплитуда сигнала на его выходе Uy.(t) обратно пропорциональна частоте вращения вала в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой интегратора 14. Этот сигнал содержит информацию как о средней час- тоте вращения вала (в виде несущей частоты), так и информацию о нестабильности частоты вращения

(фиг. Зг) в виде функций,.модулирующих несущую частоту.

Схема 16 выделения модуля сигнала -.производит выделение модуля сигнала U(t) и его усреднение (фиг. Зд). Причем постоянная времени осреднения выбрана таким образом, чтобы она была больше, чем пе- |риод низшего колебания, подлежащего исследованию, т.е. t 5с. ,Это позволяет осреднять как. низкочастотные, так и высокочастотные колебания мгновенной частоты вращения и формировать электрический эталон средней частоты вращения, относительно которого определяются колебания мпновенной частоты вращения с высокой точностью. Полученное с выхода схемы 16 выделения абсолютного значения и усреднения напряжение Ufg (t) (фиг. Зд) подается на

вход преобразователя 17 напряжение - частота. На выходе последнего формируется гармонический сигнал с частотой, обратно пропорциональной управляющему напряжению, т.е. с удвоенной

средней частотой вращения вала. Таким образом, на входы фазового детектора 19 подаются сигнал, пропорциональный мгновенной частоте вращения, и сигнал, пропорциональный средней частоте вращения. После сравнения указанных сигналов на выходе фазового детектора фор1 шруется сигнал, про- г:ог;Ц - ональньй отклонению мгновенной .

частоты вращения от ее среднего значения, который подается на второй вход блока 22 .вычисления. На первый вход блока 22 вычисления подается сигнал с выхода схемы 16 выделения модуля сигнала и усреднения который пропорционален средней частоте вращения вала. Отношение указанных сигналов и определяет величину нестабил ности частоты вращения вала, которая вычисляется в блоке 22 вычисления,

Блок 22 вычисления .производит также разложение сигнала нестабильности мгновенной частоты вращения на гар- мон ические составляющие ряда Фурье, вычисление амплитуды и частоты гармонических составляющих и суммарной нестабильности частоты вращения. Результаты вычисления регистрируются на многоканальном регистрирующем приборе 23.

Формул а изобретения

Устройство для измерения неста- бильности частоты вращения вала, содержащее преобразователь угла поворота, фазометр и блок регистрации, о т личающееся тем, что, с целью повь:шения-ТОЧНОСТИ и расшире- иия частотного диапазона измерения, в него введены последовательно соединенные управляемый генератор высокой частоты, частотный детектор,, интегратор, управляемый генератор низкой частоты и блок вычисления

нестабильности частоты, причем второй выход управляемого генератора низкой частоты соединен с первым входом фазометра, выход которого соединен с вторым входом блока вычисления нестабильности частоты, соединенного выходом с блоком регистраци а преобразователь угла поворота выполнен в виде диска с нанесенными на него слоем ферромагнитного материала и двумя катушками индуктивности тороидальной формы, причем диск жестко закреплен на исследуемом г валу и установлен симметрично катущками индуктивности тороидальной формы в зазоре их магнитопрово- дов с возможностью вращения, при этом, катушки индуктивности скреплены между собой, соединены последовательно-встречно и подключены к входу управляемого генератора высокой частоты, а слой ферромагнитного материала нанесен на площади диска, ограниченной двумя окружностями разных диаметров, выбираемых н з соотношения

d, (0,80,o.,.0,95)D, - . d (0,55....0,75)i3,

где D - диаметр диска, причем центр большей окружности совпадает с осью вращения диска, а центр меньшей смещен относительно оси на величину ()/2.

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для измерения неравномерности вращения вала, например, в аппаратах магнитной записи, и позволяет попы-. Г 1 сить точность и расширить частотный диапазон измерения-. Для этого генератор 10 высокой частоты выполнен управляемым. Частотный детектор 13 для уменьшения нелинейных искажений может быть выполнен по схеме частотного детектора с обратной связью. На вход фазового детектора 19 подаются сигналы, пропорциональный мгновенной частоте вращения и пропорциональный средней частоте вращения. После их сравнения на вьссоде фазового детектора 19 формируется сигнал, пропорциональный отклонению мгновенной частоты вращения от ее среднего значения, которьй подается на второй вход блока 22 вычисления, а на первый вход блока 22 - сигнал с выхода схемы 16 выделения модуля сигнала и усреднения, который пропорционален средней частоте вращения вала. Отношение указанных сигналов определяет величину нестабильности частоты вращения вала, которая вычисляется -в блоке 22. 3 ил. i (f) с КчЭ Wia 1

tffut.l

а

L

/

д 1б(}

.

Фиг.З

Редактор А, Козориз

Заказ 513/53Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного Комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель А. Астахов

Техред Т.Тулик Корректор Л. Патай