FI66495C

FI66495C - Foerfarande foer analys av en av och an gaoende roerelse

Info

Publication number: FI66495C
Application number: FI824240A
Authority: FI
Inventors: Raimo Ahola; Risto Myllylae
Original assignee: Raimo Ahola; Risto Myllylae
Priority date: 1982-12-09
Filing date: 1982-12-09
Publication date: 1984-10-10
Also published as: GB8332528D0; GB2131643A; GB2131643B; SE8306763D0; SE8306763L; FI824240A0; US4637727A; DE3343971A1; FI66495B

Description

66495

MENETELMÄ EDESTAKAISEN LIIKKEEN ANALYSOIMISEKSI -FÖRFARANDE FÖR ANALYS AV EN AV OCH AN GÄENDE RÖRELSE

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä tietyn kohteen edestakaisen liikkeen tai kohteen kulkusuuntaan nähden poikittaisen liikekomponentin analysoimiseksi, joka perustuu sähkömagneettisen, optisella alueella olevan säteilyn kulku-aikaan, jossa valolähteellä, kuten laserilla tai valodio-dilla kohdistetaan jaksottainen valokeila kohteeseen.

Useissa teollisuuden sovellutuksissa olisi tarpeen pystyä analysoimaan edestakaisin liikkuvien tai värähtelevien kohteiden liikettä. Yksi esimerkki tällaisesta on painokoneen (ja myös paperikoneen) paperin lepatuksen mittaus. Painokoneen paperin lepatukseen vaikuttaa mm. rainan jännitys, rullien epäkeskisyys, painotapahtumassa syntyvät voimat jne. Jotta painokoneen ajettavuuus olisi mahdollisimman suuri, tulisi lepatus minimoida, koska tällöin rainan kat-keainistodennäköisyys on pienempi.

Tässä tapauksessa olisi lepatuksen aiheuttajan selville-saamiseksi rainan poikittaisliikettä voitava analysoida. Analysointi sekä aika- että taajuusalueessa antaisi arvokasta tietoa paperin liikkeestä ja sen aiheuttajista. Tieto liikkeen amplitudista voitaisiin käyttää esim. paperirainan jännityksen säätöön vaikuttavana parametrina. Myös paperirullan epäsymmetrisyyden mittaus yhtenä lepatuksen aiheuttajana olisi tärkeää.

Toinen esimerkki edestakaisen liikkeen analysoinnin käyttöalueista on jonkin heiluvan työkoneen tms. aiheuttamien mekaanisten rasitusten, tärinän yms. tutkiminen. Tässä tapauksessa olisi tarpeellista pystyä mittaamaan ja analysoimaan liikettä yksityiskohtaisesti. Usein olisi edullista -jopa välttämätöntä - että mittaus voitaisiin suorittaa kohdetta koskettamatta.

2 66495

Edellamainituissa esimerkeissä kohteesta tarvittava tieto on liikkeen amplitudi kohteelle ominaiseen tasapainotilaan nähden molempiin suuntiin. Amplitudin mittaus tulisi olla riippumaton kohteen ja mittalaitteiden välisestä etäisyydestä, jotta mittaustapahtuman yhteydessä vältyttäisiin tarkalta laitteen asennuksesta. Liikkeen amplitudi tulisi voida muuttaa jatkuvaksi, siihen verrannolliseksi jännite-signaaliksi (esim. 10 mv/lmm tai muu sopiva suhde), jotta liikettä voitaisiin analysoida yleisesti saatavilla olevilla analysointilaitteilla, kuten piirturilla, oskilloskoo-pilla ja spektrianalysaattorilla.

Ajateltavissa olevat em. kaltaisiin sovellutuksiin sopivat laitteistot voivat perustua kapasitanssin muutokseen, ultraääneen tai valon hyväksikäyttöön.

Kapasitiivisen menetelmän haittana on pieni mittausalue, kohteen materiaalista riippuva tulos ja jokaista sovellutusta varten tarvittava oma anturi.

Ultraääntä voidaan käytää sekä kaikuperiaatteella että dopplerperiaatteella. Äänen etenemisnopeus on kuitenkin olennaisesti väliaineen (ilman) liikkeistä ja lämpötilasta riippuvainen. Dopplerperiaatteella saatava signaali on verrannollinen nopeuteen. Tällöin kuitenkin pienitaajuisten liikkeiden mittaus on hankalaa, lisäksi ultraäänen tehokas suuntaaminen kapeaksi mittauskeiläksi on vaikeaa, joten mittalaitteen tulisi olla hyvin lähellä kohdetta. Ultraäänen käyttöön perustuvan laitteen tarkkuus ja resoluutio tulisivat olemaan riittämättömät myös nopeasti liikkuvia kohteita mitattaessa.

Valoa voidaan käytää usealla eri tavalla. Yksi mahdollisuus on kollimoida kohteeseen sopiva valopiste tai juova ja tutkia pisteen tai juovan liikettä tai muotoa vinosta kulmasta 3 66495 jonkinlaisella elektro-optisella "kameralla”, laitteella, joka antaa pisteen liikkeeseen tai juovan kaareutumiseen verrannollisen signaalin. Menetelmän haittana on optiikan ja detektorien määräämä tarkka geometria, kiinteä mittaus-etäisyys sekä esim. videokameroita ja valojuovia käytettäessä korkea laitteiston hinta.

Dopplerperiatteen käyttö on mahdollista myös valolla. Rajoituksena on, kuten ultraäänellä, pienten taajuuksien mittaaminen. Optista lähestymiskytkintä (perustuu heijastuneen valon intensiteettimittaukseen) on myös mahdollista käyttää etäisyyden muutoksen mittaukseen. Tällöin tulokseen vaikuttaa häiritsevästi kohteen heijastuskertoimen vaihtelut (esim. painettu paperi).

Tavanomaisen valopulssin kulkuaikaan tai vaihevertailuun perustuva etäisyyden mittaustapa ei anna riittävän hyvää resoluutiota halutulla nopeudella, jotta etäisyyksien erotuksesta voitaisiin päätellä kohteen liike. Tarkasta kohteen ja mittalaitteen välisestä etäisyystiedosta ei ole lainkaan hyötyä pyrittäessä mittamaan nimenomaan kohteen edestakaista heilahtelua; etäisyysmittalaittet on optimoitu heiluntamittauksia ajatellen "väärää" mittaustietoa varten.

Jos mittalaitteella mitataan myös absoluuttista etäisyyttä, joudutaan etäisyysmittausalue ja siten valopulssin kulku-ajan mittaavan elektroniikan aikavälimittausalue valitsemaan suureksi verrattuna tapaukseen, jossa mitataan vain kulkuajan muutosta vertailuarvon suhteen.

Parhaimman resoluution antava lyhyen aikavälin mittaustapa on analoginen. Analogisilla mittaustavoilla päästään n.

-4 10 resoluutioon koko mittausalueesta; resoluution suhteellinen arvo on karkeasti ottaen riippumaton mittausalueesta. Esimerkiksi suomalaisessa patentihakemuksessa 821835 66495 esitetty menetelmä, jossa mitataan myös etäisyyden absoluuttista arvoa, ei anna parasta mahdollista tulosta, kun halutaan tutkia pelkästään kohteen pientä edestakaista . . -4 liikettä; em. suhteellinen resolutio 10 on 200 m mittausalueesta 20 mm, mutta 2 m mittausalueesta vain 0.2 mm, eli paljon tarkempi.

Edellä mainitut ongelmat voidaan poistaa soveltamalla puls-siperiaatetta siten, että mittalaite rekisteröi ainoastaan etäisyyden muutosta jonkin vertailuarvon suhteen.

Keksinnölle on siten tunnusomaista se, että kohteeseen edenneiden ja siitä takaisin heijastuneiden valopulssien kulkuaikojen muutos tiettyyn vertailuarvoon nähden muutetaan muutokseen verrannolliseksi analogiseksi jännitteeksi. Tuloksena on kohteen etäisyydestä riippumaton mittausmenet-tely. Etuina ovat myös suuri tarkkuus ja erotuskyky valolähteen suuri taajuus ja pieni mittausalue, hyvät foku-sointimahdollisuudet jotka tekevät menetelmästä monipuolisen, sekä tunnottomuus kohteen materiaalille.

Keksinnön eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että kulkuajan muutokseen ja siten etäisyyden muutokseen verrannollinen jännite saadaan ylipäästösuoda-tuksella ja sopivalla vahvistuksella kulkuaikaan verrannollisesta jännitteestä. Tämä on eräs tapa "vähentää" kulku-ajasta keskimääräinen kulkuaika, jolloin erotus kuvaa kohteen hetkellistä sijaintia keskimääräisen (lepotilan) suhteen. Vain erotus muutetaan siihen verrannolliseksi jännitteeksi.

Keksinnön eräälle toiselle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että kulkuajan muutokseen verranolli-nen jännite saadaan viivästämällä lähtevästä valopulssista 5 66495 saatavaa aikamerkkiä siten, että viivästetty aikamerkki pyrkii säätymään samanaikaiseksi kaikupulssin tuloajankoh-dan kanssa, jolloin tarvittavasta viiveen muutoksesta saadaan tieto etäisyyden muutoksesta. Tällöin viiveen muuttuminen (tai muutoksen tarve) kuvaa kulkuajan muutosta ja siten kohteen edestakaista liikettä. Tieto viiveen muuttumisesta tai muutoksen tarpeesta saadaan esimerkiksi viivettä ohjaavasta signaalista.

Keksinnön eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että liikkeen nopeutta ja/tai kiihtyvyyttä ilmaisevat signaalit muodostetaan etäisyyden muutokseen verrannollisesta jännitteestä jakamalla ja/tai derivoimalla tätä ajan suhteen sopivasti. Näin voidaan pelkästään edestakaisen liikkeen mittaavaa järjestelmää laajentaa monipuoliseksi analysaattoriksi, jonka avulla paremmin voidaan / tutkia liikkeen muutoksia ja niiden aiheuttajia. /·-

Keksinnön eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on myös tunnusomaista se, että saatavaa kulkuajan muutokseen ja siten kohteen liikkeeseen verrannollista jännitettä analysoidaan aika- ja/tai taajuusalueessa käyttäen tunnettuja analysointilaitteita, kuten esimerkiksi piirturia, oskil-loskooppia tai spektrianalysaattoria. Nyt esillä olevaa menetelmää sovellettaessa on tietenkin eduksi, jos tavallisia standardilaitteita voidaan käyttää mittaustulosten esittämisessä ja rekisteröinnissä. Taajuusalueella analysoitaessa saadaan esille liikkeen spektri.

Keksinnön eräälle edulliselle sovellutusmuodolle on lisäksi tunnusomaista se, että analoginen jännite muutetaan sopivasti koodaten binäärimuotoon jatkokäsittelyä ja/tai analysointia varten. Kun analoginen jännite on muunnettu digitaalimuotoon voidaan käyttää kaikki tietokoneen suomat tiedon käsittelymahdollisuudet hyväksi.

6 66495

Keksinnön eräälle tyypilliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että menetelmässä mitataan ja/tai analysoidaan painokoneen tai paperikoneen paperin lepatusta ajon aikana.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin esimerkin avulla viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa

Kuv. 1 esittää erästä yksinkertaista periaatekytkentää, miten edestakaisin liikkuvan kohteen tasapainotilan suhteen tapahtuva liike voidaan muuttaa siihen verrannolliseksi jännitteeksi,

Kuv. 2 esittää menetelmää soveltavaa laitetta paperirainan lepatuksen analysoinnissa.

Kuviossa 1 ohjausoskillaattori 1 ohjaa laserdiodille 2 lyhyitä virtapulsseja suurella taajuudella ja laserissa 2 näin syntyvät valopulssit kootaan kapeaksi mittauskeilaksi kokoavalla linssillä 3. Periaate on likimain sama kuin tavanomaisissa etäisyysmittauslaitteissa, mutta koska mittausalue on paljon pienempi (tyypillisesti 0-2 m), tarvittava tehokin on pienempi. Siten laseriksi voidaan valita komponentti, jota voidaan pulssittaa jopa useita dekadeja suuremmalla taajuudella kuin tavanomaisissa etäisyysmittauslaitteissa. Kohteesta heijastuva valopulssi suodatetaan taustavalosta suodattimena 4 ja fokusoidaan linssillä 5 valodiodille 6, joka voi olla esim. vyöryvälodiodi.

Valodiodilta 6 saatava signaali vahvistetaan pulssivahvis-timella 7, jonka lähdöstä saadaan toinen valopulssin kulku-aikaan liittyvistä aikamerkeistä STOP. Toinen aikamerkki START saadaan ohjausoskillaattorista 1. Esimerkiksi tavan-' omaisia periaatteita käyttävällä aikaväli- jännite- muunti- 66495

mel.la 8 muutetaan aikamerkkien välinen aika siihen verrannolliseksi jännitteeksi. (Muunnin 8 sisältää myös alipääs-tösuodatuksen, jolla signaalista saadaan jatkuva). Saatava jännite sisältää sekä dc- komponentin, U(jc» että ac- komponentin, U

ac Jännite U^c on suoraan verrannollinen puisiin elektroniikkaosassa kulkeman ajan ja valona kulkeman ajan summaan. Se sisältää siten informaation absoluuttisesta etäisyydestä. Jännite U on puolestaan pelkästään verrannollinen kohteen hetkelliseen sijaintiin keskimääräisen sijaintinsa suhteen. Se kuvaa siten kohteen edestakaista liikettä tasapainotilan suhteeen.

Tavallisessa etäisyysmittauksessa jännitettä U^c vastaavasta jännitteestä pyritään jollakin tavalla poistamaan elektroniikan viiveen aiheuttama osuus, jolloin jäljelle jää pelkkä valopulssin kulkuaikaan verrannollinen jännite. Ko. mittalaitteet ovat suunniteltu toimimaan paikallaan olevaan kohteeseen, joten U :tä vastaavaa komponenttia ei esiinny lainkaan.

Yksinkertaisin tapa poistaa liikemittauksissa tarpeeton dc-komponentti on suodatus ylipäästösuodattimella 9, joka samalla määrää liikkeeseen verrannollisen jännitteen alaraja- taajuuden. Saatava signaali U vahvistetaan vahvistimella dc 10, jolloin lopputuloksena saadaan halutulla kertoimella skaalattu jännite k x U , joka on suoraan verrannollinen

dC

kohteen edestakaiseen liikkeeseen.

Jos mittalaitteen ja kohteen välinen etäisyys on 2 m ja edestakaisen liikkeen amplitudi 2 cm, niin jännitteen U

dc amplitudi on vain 1/100- osa jännitteen U^c arvosta. Siten ^dc:n Poistaminen on välttämätön, jotta U :tä voidaan vahvistaa riittävän suureksi tavanomaisia analysointilaitteita 8 66495 varten.

Toinen mahdollinen tapa realisoida valopulssin kulkuajan muutoksen mittaamiseen perustuva menetelmä on seuraava: Lisätään kuvion 1 ohjausoskillaattorin 1 ja muuntimen 8 väliin START- pulsseille elektronisesti säätyvä viive. Korvataan muunnin 8 pelkällä ajoitusk.omparaattorilla, joka ilmoittaa kumpi pulsseista (STOP vai viivästetty START) tulee ensin. Tuloksen perusteella viivästetään ohjausoskil-laattorista 1 saatavaa START- pulssia joko enemmän tai vähemmän. Elektroniikka pyrkii säätämään ajoituspulssit aina samanaikaisiksi. Tällöin viiveen muuttuminen (tai "muuttu-mistarve") kuvaa kulkuajan muutosta ja siten kohteen edestakaista liikettä. Tieto viiveen muuttumisesta (muuttumis-tarpeesta) saadaan esimerkiksi viivettä ohjaavasta signaalista. Viiveen säätymisnopeus määrää tällöin mittauksen alarajataajuuden.

Keksinnössä esitetyn menetelmän realisoimiseksi käytännössä on luonnollisesti lukematon määrä erilaisia mahdollisuuksia.

Seuraavassa käytännön esimerkissä, jonka järjestelyjä kuvio 2 esittää, tyypilliset suoritusarvot perustuvat pääasiallisesti erään menetelmää soveltavan laitteen prototyypin avulla saatuihin kokeellisiin tuloksiin.

Kohteena olevaan ja nopeasti liikkuvaan ja poikittaissuun-taan lepattavaan paperirainaan 11 suunnataan kapealla mit-tauskeilalla lähetin- ja vastaanotinyksiköstä 12 (ns. mit-tapää) lyhyitä valopulsseja erittäin suurella taajuudella (tyypillisesti yli 1 MHz). Mittapää 12 liittyy kaapelin 13 välityksellä varsinaiseen elektroniikkaosaan 15. Mittapää 12 on kiinnitetty suuntaamisen helpottamiseksi sopivaan statiiviin 14. Mittapää 12 ja elektroniikkaosa 15 muodosta- 9 66495 vat yhdessä lähetettyjen ja paperista takaisin heijastuvien valopulssien kulkuajan muutokseen verrannollisen jännitteen. Koska valopulssin etenemisnopeus on varsin tarkasti vakio, on saatava jännite suoraan verrannollinen kohteen 11 liikkeeseen. Jännite voidaan skaalata esim. vahvistimella haluttuun suhteeseen (esim. 10 mV/lmm).

Muodostettava jännite on riippumaton mittapään 12 ja mit-tauskohteen 11 välisestä etäisyydestä. Siten mittapää 12 voidaan sijoittaa varsin vapaasti. Tyypillinen sallittu etäisyysalue voi olla esim. 0 - 2m. Mittauksessa saatu jännite on kytketty kaapelin 16 avulla spektrianalysaatto-riin 17, jolloin sen kuvapinnalta nähdään suoraan lepatukseen liittyvät karakteristiset taajuuskomponentit ja niiden suuruudet.

Elektroniikkaosassa 15 on myös erillinen numeronäyttö 18, josta näkyy lepatuksen amplitudi millimetreinä. Myös muita kohteen liikkeitä kuvaavia suureita voidaan esittää näytössä 18.

Etäisyyden muutoksen mittauksella (=saatavalla edestakaiseen liikkeeseen verrannollisella jännitteellä) on äärellinen ala- ja ylärajataajuus. Alarajataajuuden määräävän aikavakion rajoittaa periaatteessa se, kuinka pitkä asettu-misaika mittalaitteelle sallitaan. Jos suurin sallittu asettumisaika on esim 1 min. siirrettäessä mittapäätä 12 yhden metrin verran kohteen 11 suhteen ja vaadittu mittaustarkkuus on 1 mm, niin alarajataajuuden minimiarvo on n.

0.02Hz. Ylärajataajuus riippuu paitsi käytetystä mittaus-taajuudesta myös tarvittavasta keskiarvoistuksesta, jotta päästäisiin haluttuun mittaustarkkuuteen. Käytännössä tarvittava keskiarvoistus riippuu siten myös kulkuajan muutokseen verrannollisen jännitteen muodostavan elektroniikan suorituskyvystä. Tämän hetken tekniikalla päästään ainakin 10 66495 n. 200 Hz ylärajataajuuteen alle 1 mm resoluutiolla, joka on useimpia sovellutuksia ajatellen riittävä arvo. Mitä pienempi ylärajataajuus,sitä parempaan resoluutioon ja tarkkuuteen on mahdollisuus päästä.

Kuvion 2 tapaisissa sovellutuksissa saadaan kohteesta helposti jatkuva kaiku, koska kaikki valopulssit osuvat kohteeseen. Joissakin sovellutuksissa muut kuin varsinainen kohdepinta saattavat häiritä mittausta ellei haluttuun mittauspisteeseen aseteta erillistä heijastinta. Heijastimesta saatava kaiku on niin voimakas, että muualta tulevat kaiut eivät häiritse mittausta. Heijastinta käytettäessä kohteen sivusuuntaisen liikkeen on pysyttävä valokeilan rajoissa. Se ei ole kuitenkaan usein ongelma, sillä mitattavat liikkeet ovat pieniä.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellu-, tusmuodot eivät rajoitu ainoastaan yllä esitettyyn esimerkkiin, vaan voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims

11 66495

1. Menetelmä tietyn kohteen edestakaisen liikkeen tai kohteen kulkusuuntaan nähden poikittaisen liikekomponentin analysoimiseksi, joka perustuu sähkömagneettisen, optisella alueella olevan säteilyn kulkuaikaan, jossa valolähteellä, kuten laserilla tai valodiodilla (2,12) kohdistetaan jaksottainen valokeila kohteeseen, t u n n e tt u siitä, että kohteeseen (11) edenneiden ja siitä takaisin heijastuneiden valopulssien kulkuaikojen muutos tiettyyn vertailuarvoon nähden muutetaan muutokseen verrannolliseksi analogiseksi jännitteeksi (U ). ac

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että kulkuajan muutokseen ja siten etäisyyden muutokseen verrannollinen jännite (k x U ) saadaan yli-päästösuodatuksella ja sopivalla vahvistuksella kulkuaikaan verrannollisesta jännitteestä (U, +U ). QC clC

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, kulkuajan muutokseen verrannollinen jännite saadaan viivästämällä lähtevästä valopulssista (START) saatavaa aikamerkkiä siten, että viivästetty aikamerkki pyrkii säätymään samanaikaiseksi kaikupulssin (STOP) tuloajankoh-dan kanssa, jolloin tarvittavasta viiveen muutoksesta saadaan tieto etäisyyden muutoksesta.

4. Patenttivaatimuksen 1,2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että liikkeen nopeutta ja/tai kiihtyvyyttä ilmaisevat signaalit muodostetaan etäisyyden muutokseen verrannollisesta jännitteestä (k x U ) jakamalla dC ja/tai derivoimalla tätä ajan suhteen sopivasti. 12 66495

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että saatavaa kulkuajan muutokseen ja siten kohteen liikkeeseen verrannollista jännitettä analysoidaan aika- ja/tai taajuusalueessa käyttäen tunnettuja analysointilaitteita, kuten esimerkiksi piirturia, oskillo-skooppia tai spektrianalysaattoria (17).

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että analoginen jännite muutetaan sopivasti koodaten binäärimuotoon jatkokäsittelyä ja/tai analysointia varten.

7. Jonkin patenttivaatimuksista! - 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä mitataan ja/tai analysoidaan painokoneen tai paperikoneen paperin (11) lepatusta ajon aikana. 13 66495