CS249377B1 - Snímač pro méření úhlové rychlosti rotačního pohybu - Google Patents

Abstract

Snímač pro měření úhlové rychlosti rotačního pohybu, zejména vysokootáčkových rotorů bezvřetenových dopřádacích strojů, jehož výhodou je zejména vydávání spojitého měřitelného signálu, vedením světelného paprsku po optické dráze na stěnu disku ze světlopropustného a opticky dvoj lomného transparentního amorfního materiálu, jimž se v závislosti na okamžité úhlové rychlosti připojeného rotujícího elementu mění fyzikální vlastnosti jím propouštěného a dále detekovaného zářivého toku světelného paprsku v signál, který je funkcí okamžité úhlové rychlosti.

Description

Vynález se týká snímače pro měření úhlové rychlosti rotačního pohybu, zejména u vysokootáčkových rotorů bezvřetenových dopřádacích strojů, vysíláním optického paprsku ze zdroje záření k snímacímu detektoru přes světlopropustný prostředek upevněný na měřeném rotujícím elementu.

Jsou známy optické metody a snímače pro měření úhlové rychlosti založené na převodu frekvence impulsů z rotujícího elementu s vhodně upravenou propustností optického paprsku. Výstupní impulsní signál je nespojitý.

Nevýhodou těchto metod a snímačů je jejich necitlivost na změny úhlové rychlosti trvající kratší dobu než je interval mezi dvěma po sobě jdoucími impulsy.

Dále jsou známy metody a snímače pro měření úhlové rychlosti se spojitým výstupním signálem úměrným okamžité úhlové rychlosti, jsou to jednak snímače pracující na základě Faradayova indukčního zákona. Jedním z nich je takzvané unipolární dynamo, v jehož rotujícím vodivém disku se indukuje napětí úměrné úhlové rychlosti.

Nevýhodou unipolárního dynama je nutnost sběračů pro odvod elektřiny z disku. Sběrače jsou mechanické, mají malou spolehlivost a zanášejí do výstupního signálu šum. Další nevýhodou unipolárního dynama je skutečnost, že se jedná o aktivní snímač, který odebírá energii měřenému objektu a tím mění jeho pohybový stav. Jiné známé snímače využívající vířivých proudů sice nemají sběrače, ale jejich zpětný vliv na objekt měření je podobný jako u unipolárního dynama.

Rychlost odezvy unipolárního dynama a snímačů s vířivými proudy na změny úhlové rychlosti se jeví v řadě aplikací jako nedostatečná. Ještě pomalejší odezvu mají snímače pneumatické.

Vynález si klade za cíl odstranění uvedených nevýhod známých snímačů pro měření úhlové rychlosti se spojitým výstupním signálem a jeho podstata spočívá v tom, že sestává ze zdroje světelného paprsku a snímacího detektoru citlivého na intenzitu zářivého toku, mezi nimiž na optické dráze světelného paprsku jsou uspořádány polarizační filtry, přičemž dále na optické dráze světelného paprsku mezi polarizačními filtry je uspořádán světlopropustný disk z opticky dvojlomného transparentního amorfního materiálu, který je souose upevněn na měřeném rotujícím elementu, když jedna nebo všechny části optické dráhy světelného paprsku jsou tvořeny vláknovými světlovody.

Hlavní výhodou snímače úhlové rychlosti využívajícího optického dvojlomu je jeho rychlá reakce na změny úhlové rychlosti omezená pouze vlastnostmi použitého detektoru zářeni a mechanickou pevnosti disku. Další výhodou je velmi malé zpětné působeni na měřený objekt dané jen setrvačností disku. Jednou z výhod je malá nebo žádná citlivost k rušení cizím magnetickým nebo elektrickým polem. Další výhodou je možnost použití vláknových světlovodů pro spojení prostoru měření se zdrojem záření a detektorem, které tudíž mohou být umístěny ve vhodném pracovním prostředí.

Další výhody a význaky vynálezu jsou patrny z přiložených obrázků a jejich pipisu, kde značí obr. 1 element světlopropustného prostředku s osou rotace 0 s vyznačením směru hlavních napětí, obr. 2 příkladné uspořádání snímače úhlové rychlosti s rotujícím diskem, tvořícím světlopropustný prostředek, obr. 3 příklad použití fotoelastického snímače úhlové rychlosti pro měření na rotoru bezvřetenového dopřádacího stroje, obr. 4 detail vnitřního uspořádání hlavice se světlovodnými kabely.

Z optiky je známo, že některé amorfní látky se stávají vlivem mechanického napětí dvojlomnými. Je-li z takové dvojlomné látky vytvořena destička s rovnoběžnými stěnami a dopadá-li kolmo na její stěnu paprsek přirozeného světla, rozdělí se tento paprsek na dva výstupní paprsky, tzv. hlavní paprsky. Oba hlavní paprsky jsou lineárně polarizovány s rovinami póla3 rizace navzájem kolmými. Jestliže látka původně nevykazující dvojlom se stane dvojlomnou následkem mechanického namáhání, jsou směry polarizace hlavních paprsků shodné se směry obou hlavních mechanických napětí. Při namáhání v mezích Hookova zákona je rozdíl optických drah obou hlavních paprsků v destičce dán rovnicí:

A = ^K<<T -<T₂) ^b kde

K je fotoelastická konstanta materiálu, ^1 a^*2 jsou velikosti hlavních napětí a b je tlouštka destičky.

Také rozdíl indexů lomu odpovídajících hlavním paprskům je úměrný rozdílu

Potom např. u rotujícího disku 2 ^s rovnoběžnými čelními stěnami, tvořícího světlopropustný prostředek, je v důsledku napětí způsobeného odstředivými silami rozdíl velikostí obou hlavních napětí (radiálního a tečného) a tedy i rozdíl optických drah, úměrný druhé mocnině úhlové rychlostií*»'. Když na disk 2 necháme dopadat paprsek polarizovaného světla s rovinou polarizace svírající orientovaný úhel^?i'/4 s radiálou disku £ a za disk 2 zařadíme polarizační filtr 7_ s osou polarizace svírající s radiálou disku 6 rovněž orientovaný úhel

Gj[/4, prochází přes nerotující disk 6. a polarizační filtr 7_ na detektor 2 záření zářivý tok φ_θ, při rotaci disku 6 pak zářivý tok = φ (#^ ) , kde (Ti je velikost radiálního napětí v disku J5.

Velikost napětí je úměrná druhé mocnině ctX a při d/= 0 je nulová. S rostoucím uf velikost se mění spojitě.

Pokud disk 6 je z materiálu vykazujícího anizotropii již v klidu, která se při rotaci disku mění, je v signálu detektoru 2 záření obsažena střídavá složka a střední hodnota v čase signálu detektoru 2 záření je opět funkcí úhlové rychlosti.

Velikost výstupního signálu z detektoru 2 zářeni, který je uzpůsoben pro přijímání celého průřezu paprsku, je závislá na druhé mocnině úhlové rychlosti rotace disku 2· ^K měření úhlové rychlosti lze využít i skutečnost, že jeden z hlavních paprsků, takzvaný mimořádný paprsek, vybočuje a vystupuje z disku 2 v jiném místě, než takzvaný paprsek řádný. Vznik mimořádného parsku při roztočení disku 2 lze detekovat polohově citlivým detektorem 2 záření.

Pro ilustraci je na obr. 1 nakreslen element 2 disku 2 ^a vyznačena osa rotace O a obě hlavní napětí σ\· <r₂. Osa polarizace 2 polarizačního filtru má sklon5Z/4 od radiály disku.

V obr. 2 je světelný paprsek postupující po optické dráze 2 ^ze zdroje záření 2 ^a procházející přes polarizační filtr 2 úo disku 2 ^a dále přes polarizační filtr T_ do detektoru záření 2· Průchodem klidným diskem 6, který nemá dvoj lomné vlastnosti, se paprsek neovlivní a je propuštěn druhým polarizačním filtrem 7_ na detektor záření 2· Při roztočení disku 2 ^se projeví dvojlomnost jeho materiálu. Ve směru polarizačních os polarizačních filtrů 5 a 7_ odlišeném od směru hlavních napětí (7^ ^a (Tj propustnost disku 6 pro záření klesá. Na detektor zářeni 2 pak dopadá nižší zářivý tok. Zdroj záření 4_ může vydávat přirozené světlo. Použitím monochromatického koherentního záření účinnost celé metody roste.

Příkladné uspořádání snímače ve spojení se spřádacím rotorem je v obrázku 3, kde spřádní komora tvoří s kotvou 10 pohonného motorku rotor, uložený na čepu 11. Cep 11 je statorovou částí radiálního ložiska, jehož nezobrazená rotující část je uvnitř rotoru. Axiálně je poloha rotoru vymezena třecím kroužkem 12. Na rotoru je nasunut a s ním pevně spojen světlopropustný prostředek ve tvaru disku 2 ^z opticky dvojlomného materiálu. Disk 2 zasahuje do výřezu v hlavici 14, která je zasunuta do otvoru ve statorové cívce 15 pohonného motorku.

V detailu na obr. 4 je v řezu zobrazeno vnitřní uspořádáni hlavice 14, kde jsou dva vláknové světlovody 16, 17, tvořící na výstupu z hlavice 14 světlovodný kabel 18, který je vyveden na povrch spřádací jednotky. Na povrchu spřádací jednotky je světlovodný kabel 18 zakončen nezobrazeným optickým zařízením pro přenos optického signálu na optický měřicí systém pohybující se např. s obslužným automatem podél stroje a postupně měřícím úhlové rychlosti jednotlivých spřádních jednotek stroje. Optický měřicí systém pak obsahuje zdroj 4_ záření, polarizační filtry 5, T_ a detektor záření J3.

Claims (3)

1. Snímač pro měřeni úhlové rychlosti rotačního pohybu, zejména u vysokootáčkových rotorů bezvřetenových dopřádacích strojů, vyznačené tím, že sestává ze zdroje (4) světelného paprsku a snímacího detektoru (8) citlivého na intenzitu zářivého toku, mezi nimiž na optické dráze (3) světelného paprsku jsou uspořádány polarizační filtry (5, 7), přičemž dále na optické dráze (3) světelného paprsku mezi polarizačními filtry (5, 7) je uspořádán světlopropustný disk (6) z opticky dvojlomného amorfního materiálu, který je souose upevněn na měřeném rotujícím elementu, když jedna nebo všechny části optické dráhy (3) světelného paprsku jsou tvořeny vláknovými světlovody (16, 17).

2. Snímač podle bodu 1, vyznačený tím, že polarizační filtry (5, 7) mají osu polarizace navzájem rovnoběžnou a svírají úhel 45° s radiálou světlopropustného prostředku (6), která protíná světelný paprsek.

3. Snímač podle bodu 1, vyznačený tím, že polarizační filtry (5, 7) mají vzájemně kolmé osy polarizace, z nichž jedna svírá s radiálou světlopropustného prostředku (6) protínající světelný paprsek, úhel 45° a druhá 135°.