УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФАЗОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении угла поворота шнековых 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 отраженными 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, содержащем последовательно соединенные задающий генератор ультразвуковой частоты, излучающий преобразователь, исследуемый объект, приемный преобразователь, фазовый детектор, второй вход которого подключен квыходу приемного преобразователя, а первый к выходу генератора ультразвуковой частоты. Входы фазового детектора можно менять местами, от этого его функционирование не изменится [Гордеев Б.А. Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений, а.с. СССР №823824, кл. G01B 7/00, 1979]. 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, приводящей 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 к входу излучающего преобразователя, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки информации [Гордеев Б.А., Ультразвуковой фазовый измеритель виброперемещений, а.с. СССР, №1048330, G01H 1/00; G01B 17/00] Выход фазового детектора соединен со входом компаратора, выход которого соединен со входом коммутатора и вторым входом блока обработки информации. Выходы коммутатора соединены с управляющими входами управляемой линии задержки.

Ультразвуковой фазовое измерительное устройство работает следующим образом. Выходной сигнал задающего генератора через линию задержки поступает на излучающий преобразователь. Первоначальная задержка сигнала должна удовлетворять условию R₀=(n/2+1/4)λ, где n - число дискретных изменений фазы, равное числу управляющих входов линии задержки, λ - длина ультразвуковой волны в данной среде. В этом случае при смещении исследуемого объекта на величину не превышающую одну восьмую длины волны. 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 угла поворота 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 (4) 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 возрастании угловой скорости вращения шнека. Кроме того это устройство не позволяет измерять малые углы поворота вала со шнеком при его балансировке. Эти углы могут достигать сотых долей градуса и меньше в тех случаях, когда на вал действуют низкочастотные вибрации.

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 [Гордеев Б.А, Новожилов М.В., Караванцев В.К., Королев В.А. Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь, патент Р.Ф. №1637493 A1, G01H 5/00].

Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь работает следующим образом.

Сигнал с выхода задающего генератора поступает на излучающий преобразователь, который излучает ультразвуковые волны в направлении исследуемого объекта. При этом начальное расстояние L должно удовлетворять условию: где n - целое число, λ - длина волны ультразвука в воздухе. 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.

Возможны два случая, характерные для данного преобразователя. В первом случае колебания исследуемого объекта не выходят за пределы линейного участка выходной характеристики фазового детектора. Это значит, колебания исследуемого объекта происходят с малой амплитудой и частотой. Тогда 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, когда m=1 или меньше, в частотном детекторе частотно модулированный сигнал преобразуется а амплитудно модулированный. Изменения значений выходного сигнала частотного детектора соответствуют изменениям виброскорости исследуемого объекта.

Этот ультразвуковой фазовый вибропреобразователь имеет существенный недостаток. Он не позволяет проводить вибродиагностику таких, например, устройств, как шнековые передачи в металлорежущих станках, шнековые буры в геологоразведочных работах, шнековые механизмы в дорожно-строительных машинах и т.д.

Наиболее близким к предлагаемому является ультразвуковой фазовый преобразователь угла поворота вала, содержащий последовательно соединенные задающий генератор, усилитель мощности, излучающий преобразователь, исследуемый объект, приемный преобразователь, согласующий усилитель, фазовый детектор, выполняющий роль первого блока умножения, выход которого подключен к первому входу второго блока умножения, второй вход которого соединен с генератором тактовых импульсов. К третьему входу второго блока умножения подключен выход компаратора, а первый вход компаратора через интегратор соединен с выходом согласующего усилителя. Второй вход компаратора соединен с источником опорного напряжения. Выход второго блока умножения через блок анализа соединен с цифроаналоговым преобразователем. При этом излученный и отраженный ультразвуковые сигналы направлены по нормали к плоскости спирали шнека. Патент на изобретение №2548615, «ультразвуковой фазовый преобразователь угла поворота вала», опубликовано 20.04.2015, бюл. №11.

Данный преобразователь работает следующим образом. Прежде всего при включенном генераторе ультразвукового сигнала направляют зондирующий луч по направлению нормали к плоскости спирали шнека. Соответственно, отраженный луч также будет направлен по нормали к его плоскости. Сигнал генератора ультразвуковой частоты 100-300 кГц подается через усилитель мощности на излучающий преобразователь. При медленном вращении вала плоскость спирали шнека, на которой имеется поле действия ультразвукового луча (пятно контакта), перемещается коллинеарно образующей вала шнека и фаза отраженного акустического луча меняется на некоторую величину, которая зависит от угла поворота вала и его направления вращения. Модулированный по фазе акустический сигнал поступает на приемный преобразователь, где сигнал акустической природы преобразуется в сигнал электромагнитной природы. Затем электромагнитный сигнал через согласующий усилитель поступает одновременно на интегратор и формирователь меандра, где из синусоидального преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов той же частоты. Интегратор выполнен по схеме двухполупериодного выпрямителя. Поэтому при повышении амплитуды выходного сигнала усилителя уровень выходного напряжения интегратора также повышается. Выходное напряжение интегратора поступает на первый вход компаратора, на второй вход которого поступает сигнал источника опорного напряжения. В том случае, когда уровень сигнала на первом входе компаратора превышает уровень сигнала на его втором входе, на выходе компаратора формируется прямоугольный импульс. Этот импульс является сигналом к началу измерений, так как его появление обусловлено направлением зондирующего луча по нормали к плоскости спирали шнека.

Недостатки данного устройства в том, что погрешность его настройки перед измерениями зависит от опорного напряжения источника и интегратора, а также отсутствует возможность измерять угловую скорость вращения вала в различные моменты времени.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет измерения угловой скорости вала со сложной шнековой структурой в любой момент времени.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для измерения параметров угловых вибраций, виброперемещений основного вала и измерения его угловой скорости в различных отраслях машиностроения.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого ультразвукового фазового преобразователя угла поворота вала, содержащего последовательно соединенные задающий генератор 1, усилитель мощности 2, излучающий преобразователь 3, исследуемый объект 4, в данном случае вал со шнеком, приемный преобразователь 5, согласующий усилитель 6, формирователи меандров 7 и 8, входы которых соединены с выходами задающего генератора 1 и согласующего усилителя 6 соответственно, а выходы формирователей соединены со входами первого блока умножения 9, выход которого соединен с первым входом второго блока умножения 13, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов 10, а третий вход через последовательно соединенные формирователь 12 и анализатор спектра 11 соединен с выходом приемного преобразователя 5, формирователь 12 имеет выходной сигнал в виде прямоугольных импульсов, которые поступают на третий вход второго блока умножения 13, а выход второго блока умножения 13 через блок обработки данных 14 соединен с цифроаналоговым преобразователем 15.

Ультразвуковой фазовый преобразователь угла поворота вала работает следующим образом.

Сигнал генератора 1 ультразвуковой частоты 100-300 кГц подается на усилитель мощности 2, а затем на излучающий преобразователь 3. Меняя частоту задающего генератора 1, добиваются наиболее эффективного излучения ультразвукового сигнала преобразователем 3 путем его настройки на частоту электромагнитного резонанса. При медленном вращении ротора 4 фаза отраженного ультразвукового сигнала меняется на некоторую величину, которая зависит от угла поворота вала. Модулированный по фазе ультразвуковой сигнал поступает на приемный преобразователь 5, настроенный на частоту механического резонанса. Преобразователь 5 преобразует сигнал акустической природы в сигнал электромагнитный со всеми индексами частотной и фазовой модуляции. Затем электромагнитный сигнал через согласующий усилитель 6 поступает на формирователь меандра 8, где из синусоидального преобразуется в последовательность однополярных прямоугольных импульсов той же частоты. На формирователь 7 поступает опорный сигнал с выхода задающего генератора 1 и на его выходе также приобретает форму меандра. Выходной сигнал формирователя 7, имеющего вид меандра, отличается от выходного сигнала формирователя 8 только тем, что может иметь некоторое рассогласование по фазе и частоте. Изменение фазы линейно связано с изменением расстояния отражающей поверхности вала до излучающего и приемного преобразователей, а изменение частоты характеризует скорость вращения вала. В данном случае фаза является информативным параметром. Оба сигнала прямоугольной формы поступают на входы первого блока 9 умножения, на выходе которого формируется последовательность прямоугольных импульсов различной длительности. Длительность импульсов характеризует изменение фазы и, следовательно, расстояния до исследуемого объекта. Эта последовательность прямоугольных импульсов поступает на первый вход второго блока 13 умножения, на второй вход которого поступают тактовые импульсы высокой, порядка 1 ГГц, частоты с генератора 10 тактовых импульсов. Меняющееся число тактовых импульсов в выходном сигнале блока 13 соответствует изменению фазы между отраженным и опорным сигналами. На третий вход блока 13 поступает сигнал формирователя 12, имеющего вид меандра. На вход формирователя 12 поступает сигнал с выхода анализатора 11 спектра отраженных от поверхности шнека акустических сигналов. Если вал шнека обладает эксцентриситетом, который является основной причиной вибрации, то при повороте вала на некоторый даже небольшой в несколько угловых градусов угол, фаза отраженного ультразвукового сигнала изменится относительно опорного, что зарегистрирует первый блок 9 умножения. При дальнейшем вращении вала 4 ребро шнека достигает поля действия зондирующего ультразвукового луча. При этом в спектре отраженного сигнала появляются кратные частоте вращения вала гармоники, амплитуда основной гармоники снижается, что отражается анализатором спектра 11. При этом выходной сигнал анализатора спектра, поступая через формирователь 12 на третий управляющий вход второго блока 13 умножения, переводит его в режим работы частотного детектора. Измерения виброперемещений шнека происходят синхронно с частотой вращения вала.

Нелинейный режим работы наступает тогда, когда пятно контакта зондирующего луча попадает в область шнека, и 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. Так, например, при частоте вращения вала 10 Гц, высоте ребра шнека 10-2 м и расстоянии между ребрами шнека по одной образующей 10-1 м эквивалентная скорость движения отражающей поверхности будет одного порядка со скоростью ультразвука в воздухе.

В этом случае за счет двойного эффекта Доплера частота отраженного сигнала: где ω₀ - частота падающей волны, с - скорость движения фронта зондирующей волны, l(t) - перемещение исследуемого объекта.

При этом отраженную волну теперь можно представить в виде:

где l(t)=L+Δ(t).

где J_n(m) - Бесселева функция первого рода n-го порядка от аргумента m, m=ω_d/Ω, - индекс частотной модуляции, Ω - частота изменения девиации данном случае частота виброколебаний вала, ω_d - девиация частоты отраженного акустического сигнала.

Таким образом, в спектр отраженного сигнала вклад различных боковых составляющих определяется величиной m.

Если m<<1, то имеют место приближенные равенства

sin(msinΩt)≈msinΩt, cos(msinΩt)≈1

Это происходит тогда, когда угловая скорость вала незначительна, или зона действия ультразвукового луча не попадает в область ребра шнека.

При малой девиации частоты отраженного акустического сигнала m<<1 в его спектре присутствует только основная гармоника, равная частоте вращения вала. Поэтому выходной сигнал формирователя 12 имеет вид прямоугольного импульса, поступающего на третий вход второй схемы умножения 13. Далее через блок 14 обработки данных сигнал для визуального наблюдения поступает на цифроаналоговый преобразователь 15. При дальнейшем вращении вала 4 пятно контакта ультразвукового луча попадает в область действия внешней поверхности ребра шнека. Этот процесс характеризуется прежде всего тем, что снижается уровень отраженного сигнала, так как поле действия падающего луча начинает зондировать поверхность ребра шнека, и возрастает рассеивание отраженного сигнала. Во вторых, возрастает индекс частотной модуляции, который согласно выражению (1) провоцирует появление в спектре отраженного сигнала дополнительных гармоник. В этом случае формирователь 12 прекращает работу, выходной сигнал его принимает вид логического нуля, вторая схема 13 умножения перестает работать и процесс измерения прекращается на время, равное времени прохождения зондирующего ультразвукового луча через внешнюю поверхность ребра шнека.

При значениях индексов m, изменяющихся в интервале от 0,5 до 1, приобретает некоторое значение вторая пара боковых частот, ввиду чего ширина спектра должна быть приравнена 4Ω. Далее, при 1<m<2 приходится учитывать третью и четвертую пары боковых частот и т.д. Все эти процессы подвергаются анализу в блоке 11. Таким образом, ультразвуковой фазовый вибропреобразователь позволяет проводить вибродиагностику вращающихся валов со сложной внешней поверхностью, образующая которой не является прямой линией.

Блок 14 анализа предназначен для представления реализации исследуемого процесса в частотной или во временной областях. Выходной сигнал этого блока через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 15 может поступать на осциллограф или непосредственно в компьютер, где в зависимости от программного обеспечения может анализироваться автокорреляционная функция, спектральный состав, гистограмма распределений информативных параметров.