Устройство для измерения параметров вращающихся объектов, преимущественно температуры,скорости и радиальных биений

Устройство для измерения параметров вращающихся объектов, преимущественно температуры,скорости и радиальных биений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) 01) K 13/08 // 691 Р 3/36 //.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3328310/18-10 (22) 11, 06, 81 (46) 30. 04. 83. Бюл. и 16

{72) Н,А,Романюк, А.М.Костецкий и В.М.Габа ,(71) Львовский ордена Ленина государственный университет им, Ивана франко

{53) 536,532(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N 608064, кл. G 01 K 13/08, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

N 821960, кл. G 01 К.I1/12, 1979 (прототип), (54) (57) УСТРОЙСТВ) ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ ВРАЩАЮЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ТЕМПЕРАТУРЫ,СКОРОСТИ И РАДИАЛЬНЫХ БИЕНИЙ, содержащее источник монохроматического, излучения, по ходу лучей которого размещены датчик, выполненный в виде плоскопараллельной пластинки из термочузствительного двулучепреломляющего кристалла, и поляризатор, неподвижный приемник излучения, счетчик импульсов, отсчетное .устройство, о т л и ч à.ю щ е е с я -тем, что, с целью повышения точности измере" ния температуры, вращающегося объек та, а также измерения его скорости вращения и радиальных биений, в нем датчик, на одну из сторон плоскопа" раллельной пгастинки двулучепреломляющего 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 уг" лом 450 к его оптической оси, фокусирующая линза, размещенная между поляризатором и неподвижным прием" ником излучения, один из выходов которого соединен с входом частото" мера, а другой - с входом сглаживающего фильтра, выход которого сое- динен с входом счетчика импульсов, причем отсчетное устройство установлено по ходу отраженного о полу.прозрачного зеркала луча, а его оптическая ось совпадает с нормалью к полупрозрачному зеркалу.

1015270 ны 52(.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для беспроводных дистанционных измерений параметров преимущественно температуры, угловой скорости и радиальных биений вращающегося объ" екта.

Известно устройство для измерения температуры с бесконтактной передачей сигнала с объекта на изме- 1р

1 рительное устройство. Оно состоит иэ размещенных на вращающемся объекте .термопары, магнитопроводас измерительной обмоткой и неподвижных источника плоско-поляризованного света; измерителя угпа вращения плоскости поляризации (11, /

Недостатком этого устройства является низкая помехоустойчивость. При наличии внешних магнитных полей (наводок} будет изменяться внутреннее магнитное поле измерительной обмот-.: ки, что приведет к значительным погрешностям в определении температуры.

Это устройство невозможно использовать для измерения температуры рото 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, два скрещенных линейных поляризатора, между-которыми размещен термочувствительный, двулучепреломляющий кристалл, оптический компенсатор разности фаз, установленный между одним из поляризаторов и двулучепреломляющим кристаллом, узкополосный светофильтр, установленный перед фотоприемником, а также нуль-индикатор и счетчик импульсов, подключен- 45 ные к выходу фотоприемника, Работа устройства основана на регистрации периодической интенсивности света, падающего наприемник излучения вследствие температурной зависимости разности фаз прошедшей через термочувствительный элемент световой волНедостатком данного устройства яв-55 ляется невозможность измерения температуры вращающихся объектов, скорости вращения и радиальных биений. ъ

Кроме того, при определении температуры нужно проводить дополнительную операцию, т.е. определять остаточную разность фаз с помощью компенсатора.

Цель изобретения - повышение точности измерения температуры вращающегося объекта, 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 плоскопараллельйой пластинки иэ термочувствительного двулучепреломляющего кристалла, и поляризатор, неподвижный приемник излучения, счетчик импульсов, отсчетное устройство, его датчик, на одну иэ сторон плоскопараллельной пластинки двулучепреломляющего 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 45 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 соединен 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 вра" щающегося объекта (темпрратуры Т, частоты вращения М, радиальных бие" ний о ).

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг. g показаны сигналы, регистрируемые приемником излучения при различных частотах (а) и температурах (б) объекта ;

3 10 на фиг. 3 — дана зависимость от тем»-пературы сигнала, поступающего на счетчик импульсов.

Устройство состоит иэ источника 1 плоско-поляризованного монохроматйческого света (лазера), полупрозрачного зеркала 2, кристаллической двупреломляющей плоскопараллельной пластинки 3, с зеркальной подложкой

3, поляризатора 4,. фокусирующей лин.зы 5, приемника 6 излучения, частототомера 7,сглаживающего фильтра 8, айалогового реверсивного счетчика . для подсчета числа синусоидальных импульсов с измерителем 9 амплитуды напряжения синусоидальных сигналов, отсчетного устройства 10. Кристаллй- . ческая пластинка имеет механический и термический контакт с- вращающимся объектом.

Работа устройства основана на том, ° что регистрируемая приемником интеывивность света Д описывается выражением °

1 ,)"-Зоями (ЬИ)ЙИ 2Ч=АЯИ 2Ч, (<)

rhea — (и -г1) д - разность фаз межМ ду.двумя лучами, образа ва вшими ся после прохождения двупреломляющего кристалла толщиной д;

1. И и и n - зависящие от тем". пературы показатели преломления кристалла;

). - .длина волны используемого лазера;

" угол между одним из направлений колебаний света s кристалле и направлением колебаний в поляризаторе (угол поворота объекта). При )I =const разность фаэ :зависит только от температуры кристалла, так что выражение

А=З ЫИ Я(g) . (2) т можно рассматривать как зависящую от температуры амплитуду колебаний .интенсивности / A siп 2г, Поскольку угол ц характеризует поворот кристалла относительно полярйзато- . ра, то он дает информацию о скорости вращения объекта. При фиксированной

15270 4 температуре A const вращение объекта описывается угпом $ в пределах 0- 21Г „и интенсивность света будет изменяться по закону induc частотой, пропорциональной скорости вращения объекта и постоянной амплитудой А, Интенсив" ности света, регистрируемые прием" ником излучения при вращении объекта, для ряда значений частот вращения

1в показаны на фиг. 2в. Частотомер, подключенный к выходу приемника излуче- . ния, покажет учетверенную частоту вращения объекта, так как в кристалле существует два направления колебаний

1 света и за один оборот они четыре раза совпадут с направлениями колебаний неподвижного анализатора и лазерного излучения.

С изменением температуры, вслед"

2О ствие температурной зависимости К, амплитуда А будет изменяться по зако- . ну ы и и может быть представлена в виде

Ъ(Т+ ).

А=ми 1Г й) .

Из этого выражения видно, что некоторой величине фототока отвечает на " бор температур (щТ+ат), где m 0, +1., +2. ..,+m; Т - характерный для избран3О наго датчика интервал температур, при прохождении которого интенсивность

;света изменяется в пределах одного периода.

Интенсивности света, регистрируе» мые приемником излучения при измене" нии температуры вращающегося объекта, показаны на Фиг. 2б. 3 ;„ФО . из-за частичной деполяризации све та в системе. После прохождения такой системы импульсов фототока, =A sin × через сглаживающий фильтр получим зависимость амплитуды А от температуры, показанную на фиг.3.

Искомая температура среды может быть представлена соотношением

45, kx=ko+ T+ ь, (4) где t - известная исходная темпео ратура запуска (настройки) прибора, отвечающая йй**0

SO и а=0

m - число минимумов фототока, Т - характерный интервал температур для данного датчика (период);

at - изменяется в пределах 0-Т (дробные значения. Т).

При подаче сигнала на аналоговый счетчик синусоидальных сигналов с

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 4, фокусирующую линзу 5 попадут на приемник 6 излучения, Разность фаз, приобретенная лучами вследствие прохождения двупре- ломляющего кристалла, и соответственно интенсивность светового потока и величина фототока на выходе прием4S

5 10152 измерителем промежуточных значений яапряжений между двумя их максимальными (или минимальными) значениями, можно определить температуру измеряемого объекта. Количество максимумов m (т .е. число целых периодов Т) отсчитывают счетчиком, а а,й (дробные значения Т) определяют по промежуточному значению напряжения (между максимумом и минимумом) сину- !ф

4 соидального сигнала

Т м

М" (б) где И - общее число меток шкалы ! ( вольтметра, отвечающее изме- 1S нению температуры на Т/2;

И - число меток, отвечающее про/о межуточному значению напряже" ния (значению температуры из интервала О-Т/2).

Отклонение напряжения от максиму" ма 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 отсчетным устройством определить параметры светящегося кольца на полупрозрачном зеркале, образованного лучем лазера вследствие радиальных биений вала. Исходя из формулы „=Qvc+g И 1 (6 )

Й где d. - диаметр светящегося кольца, Н - расстояние от кристалла (датчика)

35 до полупрозрачного зеркала, легко определить угол радиальных биений вала. При отсутстьли биений на полупрозрачном зеркале вместо кольца

4О будет наблюдаться неразмытое све ,тящееся пятно с диаметром равным сечению луча лазера.

70 б ника излучения будут функцией температуры. Фотоэлектрический сигнал, проходя через сглаживающий фильтр 8, попадает на вход аналогового реверсивI ного счетчика для годсчета числа синусоидальных импульсов с измерителем

9 амплитуды напряжения синусоидальных сигналов. На счетчике появится целое число m, .отвечающее числу максимумов фототока, который как и интенсивность светового потока, будет

-изменяться по синусоидальному закону, а измеритель амплитуды напряжения ука" жет промежуточное значение напряжения (между максимумом и минимумом фототока), по которому определяют величину t.

Таким образом, зная характерный интервал температур Т для данного датчика-кристалла и исходную температуру запуска (температура окружающей среды} t,,по формуле х-+î " Т+ <+ 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. 8следствие того, что направление 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 при" емника излучения на частотомер 7, показания которого делят на четыре (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 .получают искомую частоту вращения.

Определение радиальных биений..

При освещении датчика 3, лучи, прошедшие через кристалл и отражен-. ные от его зеркальной подложки, попадут на полупрозраЧное зеркало 2, Ар« вращении объекта, в случае отсутствия биений на полупрозрачном зеркале, наблюдают неразмытое светяще-:

7 101 ЯЦ еся пятно. При наличии биений на по--.;.- лупрозрачном зеркале .появится светящееся кольцо, диаметр и ширина которого будут возрастать с возрастанием биений. 5

С помощью отсчетного устройства

10 (монокуляр, зоровая труба) определяют диаметр светящегося кольца

d и, зная рассзояние от кристалла к полупрозрачному- зеркалу Н, по формуле

d arcing

8 . 2Н определяют угол радиальных биений, С помощью предлагаемого устрой- 1Э ства можно измерять одновременно радиальные биения, скорость вращения и температуру.в широком интервале без изменения типа кристалла, Выбор кристаллов для активного элемента 20 (датчика) устройства слабо ограничен, основными условиями являют" ся наличие двупреломления и прозрачность на длине волны применяемого монохроматического. источника света, 2s

Таким образом, повышение точности, т,е. измерение температуры вра" ,щающегося объекта скорости вращения и радйальных биений в предлагаемом устройстве достигается тем, что 30 измерение параметров вращающегося тела (температуры, скорости враще-. ния и радиальных биений) производится с помощью одного устройства без дополнительной перестройки и регулировки применяемой аппаратуры.

Оптическая связь кристалла с ре0 8 гистрируемыми приборами дает возможность проводить. исследования дистанционно, в условиях агрессивных сред,; магнитных, электрических полей.:С помощью предлагаемого устройства можно измерять температуру вращаю" щегося тела в широком интервале без изменения типа кристалла. Верхний предел-измеренйя. температуры ограничен температурой плавления кристаллов (в настоящее время t 3000 С).

Кроме того, точность измерений скорости вращения не зависит от стабильности источника и фотоприемника излучения в связи с наличнем модуляции светового потока, создаваемой вращением кристалла.

Требуемая точность измерений температуры достигается заданием харак-. терного периода температур Т, который определяется параметрами используемого кристалла. Для иэвест- ... ных кристаллов можно задать период

Т 2-0,1 К и соответственно точ". ность измерений температуры может составлять (7 Т 0,005 К.

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

Одновременное измерение температуры, частоты и радиальных биений вращающихся объектов приводит к значительному повышению экономи4йости устройства.

1015270

Рф Фб ф

/реня, /

Pua2"

8pavw. g — -в

f с )ие.З

Заказ 3198/40 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного щэмитета СССР по делам изобретений и открытий.

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Ю

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

Составитель Н.Горшкова

Редактор Е,Папп ХехредИ.Гергель Корректор A.Èëüèí