доплеровское ультразвуковое устройство контроля скорости движения объекта

Формула изобретения

1. Доплеровское ультразвуковое устройство контроля скорости движения объекта, содержащее последовательно соединенные задающий генератор, усилитель мощности и излучатель, последовательно соединенные приемник, усилитель, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, фильтр низких частот и компаратор пересечения нулевого уровня, а также арифметическое устройство, отличающееся тем, что в него введен преобразователь произведения частоты пересечения нулевого уровня на амплитуду в напряжение, вход которого через последовательно соединенные потенциометр и постоянный резистор с параллельно подсоединенным к нему ключом подсоединен к выходу компаратора пересечения нулевого уровня, а выход - к арифметическому устройству, выполненному в виде компаратора пересечения порога, определяющего выход контролируемой скорости за установленный предел.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход преобразователя произведения частоты пересечения нулевого уровня на амплитуду в напряжение подсоединен к выходу по крайней мере еще одного компаратора пересечения порога, при этом порог каждого компаратора соответствует установленному пределу скорости объекта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике контроля и может быть использовано при контроле скорости движущихся узлов и поверхностей технических агрегатов и технологического оборудования.

Ультразвуковые устройства, основанные на определении доплеровского сдвига частоты сигналов, отраженных объектом при относительном движении излучателя и отражающего объекта, широко используются для нахождения скорости этого движения.

В основном доплеровские ультразвуковые устройства применяются для определения путевой скорости транспортных средств (см., например, авт. св. СССР N 1835528, кл. G 01 S 15/00, европейскую заявку 0418898, кл. G 01 S 15/00, патент США N 5054003, кл. G 01 S 15/00).

Однако в некоторых случаях при контроле за работой агрегатов, таких, например, как эскалаторы Метрополитена, или технологических конвейеров более важным является не измерение скорости движения контролируемых узлов, а определение и предотвращение выхода скорости этих узлов за допустимые пределы, установленные в отношении к скорости движения исправного устройства. Такая постановка задачи позволяет исключить метрологические аспекты измерения в смысле сопоставимости результатов определения скорости с принятыми эталонами расстояния и времени и тем значительно упростить процедуру контроля.

Известен ультразвуковой измеритель путевой скорости на основе эффекта Доплера (патент США N 5054003), который по технической сущности наиболее близок к предлагаемому устройству. Измеритель содержит последовательно соединенные задающий генератор, усилитель мощности и излучатель, излучающий ультразвуковые колебания под заданным углом к рассеивающей поверхности, и приемник, чувствительный к колебаниям, отраженным поверхностью. Приемник, частота сигнала на выходе которого сдвинута относительно частоты излученного на величину, определяемую эффектом Доплера, через усилитель соединен с одним из входов перемножителя, второй вход которого соединен с задающим генератором. Напряжение с выхода перемножителя с частотой, равной разности между излученной и принятой, поступает на фильтр низких частот, выход которого подключен к входу компаратора пересечения нулевого уровня. Выход компаратора пересечения нулевого уровня соединен с входом счетчика импульсов, подсоединенного к арифметическому устройству, осуществляющему вычисление путевой скорости по доплеровскому смещению частот.

Описанное устройство производит измерение скорости движения, но не обеспечивает определения выхода скорости за установленный предел. Относительно нетрудно, введя в арифметическое устройство значения порогов скорости, реализовать задачу индикации выхода скорости за установленные пороги, однако такое решение при кажущейся простоте обладает существенным недостатком, заключающимся в необходимости производить эталонирование устройства для того, чтобы его показания вырабатывались в сопоставимых единицах (например, в метрах в секунду).

Техническим результатом от использования изобретения является обеспечение возможности определения выхода скорости контролируемого объекта за установленный предел, минуя процедуру приведения измеренного допплеровского сдвига частоты к общепринятым эталонам (например, к метрам в секунду).

Для обеспечения указанного технического результата в известном доплеровском ультразвуковом устройстве для контроля скорости движения объекта, содержащем последовательно соединенные задающий генератор, усилитель мощности и излучатель, последовательно соединенные приемник, усилитель, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, фильтр низких частот и компаратор пересечения нулевого уровня, а также арифметическое устройство, введены новые признаки, а именно: преобразователь произведения частоты пересечения нулевого уровня на амплитуду в напряжение, вход которого через последовательно соединенные постоянный резистор с параллельно подсоединенным к нему ключом и потенциометр подсоединен к выходу компаратора пересечения нулевого уровня, а выход - к арифметическому устройству, выполненному в виде компаратора пересечения порога, определяющего выход контролируемой скорости за установленный предел.

В случае, если контроль за скоростью следует производить путем сопоставления с несколькими порогами, выход преобразователя произведения частоты пересечения нулевого уровня на амплитуду следует подсоединить к выходу по крайней мере еще одного компаратора пересечения порога; при этом порог каждого компаратора соответствует определенному пределу скорости объекта.

Такое схемотехническое решение позволяет производить калибровку устройства путем использования в качестве эталона скорости движения самого объекта, скорость которого контролируется, при условии, что на момент калибровки объект исправен и движется с номинальной скоростью.

На чертеже приведена схема предложенного устройства.

Предложенное доплеровское ультразвуковое устройство контроля скорости движения объекта содержит последовательно соединенные задающий генератор 1, частота которого может изменяться в процессе настройки, усилитель 2 мощности и ультразвуковой излучатель 3. Устройство также содержит приемник 4 ультразвуковых колебаний, выход которого через усилитель 5 подсоединен к одному входу перемножителя 6, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 1. Выход перемножителя 6 через фильтр 7 низких частот подключен к входу компаратора 8 пересечения нулевого уровня, выход которого через постоянный резистор 9, параллельно которому подключен ключ 11 и последовательно подключенный к нему потенциометр 10, подсоединен к преобразователю 12 произведения частоты пересечения нулевого уровня на амплитуду в напряжение. Выход блока 12 подключен к компаратору 13 пересечения порога U₀. Выход блока 12 может (показано пунктиром) быть подключен к нескольким компараторам 13 пересечения порога, отличающимся уровнем порога (U₀; n₁U₀; n₂U₀).

В качестве излучателя и приемника могут быть использованы идентичные пьезокерамические преобразователи, которые могут быть выполнены в виде единой конструкции - так называемые раздельно совмещенные преобразователи (см., например, Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. Под ред. И.Н. Ермакова, М., 1986., с. 280).

В качестве перемножителя 6 компаратора 8 пересечения нулевого уровня и компаратора 13 пересечения порога могут быть использованы устройства (Алексеенко А.Г., Коломбед Е.А., Стародуб Г.И., Применение прецезионных аналоговых ИС. М.: Радио и связь, 1981, с. 96, 168-170).

В качестве примера реализации преобразователя 12 может быть использован описанный в (Сига X., Мидзутани С. Введение в автомобильную электронику. М.: Мир, 1989, с. 63).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Задающий генератор 1 вырабатывает непрерывный сигнал частоты излучения f₀, который усиливается усилителем 2 мощности и подается на излучатель. Ультразвуковые колебания рассеиваются поверхностью, движущейся со скоростью V и принимаются приемником 4.

Частота сигнала на выходе приемника представляет сумму частоты излучения f₀ и доплеровского сдвига частоты f_д , обусловленную взаимным перемещением антенной системы и рассеивающей поверхности, равную

,

где

c - скорость звука;

- угол между осью антенной системы и вектором скорости движения.

Принятый сигнал усиливается усилителем 5 и подается на один из входов перемножителя 6, на другой вход которого поступает напряжение от задающего генератора 1. Сигнал с выхода перемножителя фильтруется фильтром 7 низких частот, на выходе которого образуется напряжение с разностной доплеровской частотой f_д .

Частота задающего генератора может изменяться в процессе настройки устройства в установленных пределах для достижения максимального уровня рассеянного сигнала.

Напряжение с доплеровской частотой поступает на вход компаратора 8 пересечения нулевого уровня, на выходе которого формируются сигналы пересечения нулевого уровня, поступающие через последовательно включенные коммутационным ключом резистор и потенциометр на преобразователь 12 произведения частоты пересечения нулевого уровня на амплитуду в напряжение, выполняющим функцию.

U_д= mE₀f_д, ,

где

m - коэффициент преобразования;

E₀ - амплитуда входного сигнала;

Напряжение на выходе преобразователя произведения частоты пересечений нулевого уровня на амплитуду в напряжение равно:

,

где

R₁ -сопротивление резистора 9;

R₂ - сопротивление потенциометра 10,

где

- коэффициент деления напряжения потенциометром 10.

Или с учетом зависимости доплеровского сдвига от скорости движения поверхности

.

Для нормального функционирования устройства необходимо, чтобы при регулировке устройства контроля в процессе установки на объекте контролируемая поверхность двигалась с заведомо номинальной скоростью V₀. Рассмотрим частный случай, когда устройство должно вырабатывать сигнал предупреждения при превышении некоторого установленного порога

VV_пор = nV₀, где n > 1

В этом случае при регулировке устройства ключ K замыкается и потенциометром 10 устанавливается коэффициент такой, чтобы выполнялось условие

.

Отсюда

.

Затем ключ K размыкается и устройство переходит в рабочее состояние. При этом в компараторе 12 вырабатывается сигнал предупреждения при условии

U_д U_о.

или

.

Подставляя сюда выражение для , полученное при регулировке, получим условие

.

Условие равенства должно выполняться для V = V_пор = nV₀

Отсюда

.

В случае, если сигнал предупреждения должен вырабатываться при снижении скорости ниже некоторого порога V_пор = nV₀, где n < 1, регулировка устройства производится путем установки коэффициента деления потенциометра, соответствующего выполнению условия

U_Д = U₀,

при разомкнутом ключе K. Затем ключ переводится в замкнутое состояние. При этом сигнал предупреждения вырабатывается при выполнении условия

U_ДU₀,

которое удовлетворяется при выборе соотношения

.

В случае, если требуется последовательное определение выхода скорости за пороговые значения, определяемые дискретно, регулировка устройства производится так же, как описано выше, а пороговые значения блоков 13-1, 13-2, 13-k устанавливаются как n₁U₀, n₂U₀, ... n_kU₀.

Опытные образцы доплеровских ультразвуковых устройств контроля скорости движения, описанных в заявке, были изготовлены и установлены на ряде промышленных объектов. Опытная эксплуатация подтвердила их эффективность и надежность, которые в сочетании с простотой и низкой себестоимостью позволяют рекомендовать их для широкого использования для контроля скорости движения частей машин и механизмов.