PL208244B1 - Sposób badania bezkontaktowych przyrządów do pomiaru prędkości liniowej i urządzenie do badania bezkontaktowych przyrządów do pomiaru prędkości liniowej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób badania bezkontaktowych przyrządów do pomiaru prędkości liniowej i urządzenie do badania bezkontaktowych przyrządów do pomiaru prędkości liniowej na wirującej tarczy przeznaczone szczególnie do wzorcowania i sprawdzania przyrządów pomiarowych optycznych, indukcyjnych, indukcyjnościowych i pojemnościowych, w których prędkość mierzy się bez kontaktu z podłoż em.

Znany sposób badania bezkontaktowych przyrządów do pomiaru prędkości liniowej na wirującej tarczy polega na tym, że mierzy się prędkość kątową i promień wirującej tarczy centrycznie zamocowanej na osi układu napędowego. Prędkość kątową i liniową mierzy się najczęściej na obwodzie tarczy. Zakłada się, że płaszczyzna obrotu tarczy jest prostopadła do osi obrotu. Znany jest również sposób badania bezkontaktowych przyrządów do pomiaru prędkości liniowej, który polega na tym, że pomiar wykonuje się na płaszczyźnie czołowej tarczy dla promienia mniejszego niż promień tarczy.

W znanych sposobach badany przyrząd pozycjonuje się względem tarczy za pomocą układu mocującego z możliwością przesuwu zwykle wzdłuż jednej osi, aby wyregulować wzajemną odległość badanego przyrządu od tarczy. Aby określić odległość punktu pomiaru od osi obrotu tarczy przy wykonywaniu pomiaru na obwodzie tarczy dopasowuje się uchwyty dla konkretnych typów czujnika badanego przyrządu, których wymiary geometryczne mają wpływ na jednorazowo mierzoną odległość. Badane przyrządy pozycjonuje się również za pomocą układu przesuwu w kierunku promieniowym, będącym elementem stanowiska, na którym przeprowadza się badanie. Układ przesuwu wykorzystuje się do uzyskania zalecanej przez producenta odległości badanego przyrządu pomiarowego od podłoża. Wówczas dodatkowym miernikiem mierzy się odległość środka obszaru pomiarowego badanego przyrządu od osi obrotu wirującej tarczy, który znajduje się poza obudową badanego przyrządu, w pewnej odległoś ci od punktów odniesienia okreś lonych przez producenta. Wartość prędkości liniowej wyznacza się jako iloczyn prędkości kątowej i odległości od osi obrotu tarczy do środka obszaru pomiarowego badanego przyrządu. Prędkość kątową mierzy się najczęściej korzystając z przetwornika fotoelektrycznego zliczającego impulsy generowane w jednostce czasu przez znaczniki umieszczone równomiernie na obwodzie wirującej tarczy. Charakterystykę współczynnika czułości lub błędów badanego przyrządu w funkcji prędkości liniowej wyznacza się dla kilku lub kilkunastu punktów pomiarowych w jego całym zakresie pomiarowym, który określa producent badanego przyrządu pomiarowego.

W przypadku wzorcowania badanego przyrz ą du wyznacza się współ czynnik kalibracji jako stosunek obliczonej wartości prędkości liniowej do wartości mierzonego sygnału z badanego przyrządu, którym najczęściej jest sygnał elektryczny w postaci napięcia, prądu lub częstotliwości. Znany sposób może być również stosowany wtedy, gdy wynik pomiaru z badanego przyrządu wyświetla się na wskaźniku analogowym lub cyfrowym. Przy kontroli przyrządów wyznacza się błąd pomiaru jako różnicę pomiędzy obliczoną prędkością liniową, a wynikiem uzyskanym z pomiaru badanym przyrządem. Współczynnik kalibracji przy zerowym błędzie jest równy jedności.

Znany jest układ do badania bezkontaktowych przyrządów do pomiaru prędkości liniowej na wirującej tarczy z równomiernie rozłożonymi znacznikami, w którym fotoelektryczny miernik prędkości kątowej połączony jest z przetwornikiem sygnału optycznego na sygnał elektryczny połączonym z częstościomierzem, a silnik napę dowy tarczy połączony jest z regulatorem prędkości kątowej. Badany przyrząd mocowany jest w uchwycie, o stałej i wcześniej zmierzonej odległości punktu pomiarowego od osi obrotu tarczy. Sygnał z badanego przyrządu zapamiętywany jest w rejestratorze. Silnik napędowy tarczy i układ przesuwu badanego przyrządu względem tarczy połączone są ze sterownikiem, w którym rejestrowane są wyniki pomiaru prędkości kątowej oraz wartości sygnału z badanego przyrządu.

Wyniki badań bezkontaktowych przyrządów do pomiaru prędkości liniowej znanymi sposobami i układami obarczone są błędami i niepewnościami wynikającymi z pomiaru prędkoś ci kątowej oraz odchylenia od koła kształtu tarczy i jej niecentrycznego zamocowania na osi silnika napędowego lub niedokładnego określenia pozycji czujnika badanego przyrządu względem osi wirującej tarczy. Wadą znanych sposobów badań bezkontaktowych przyrządów do pomiaru prędkości liniowej na wirującej tarczy jest konieczność wyznaczenia prędkości liniowej, a przez to wyznaczenia odległości pomiędzy osią obrotu tarczy a punktem pomiaru w sposób bezpośredni przez pomiar lub pośredni jako sumy odległości wcześniej zmierzonych odcinków, których suma jest poszukiwaną odległością. Określenie położenia w przestrzeni punktu pomiarowego, poprzez bezpośredni pomiar dla każdej współrzędnej z niepewnością poniżej 0,5 mm często nie jest możliwe, ze względu na brak punktu materialPL 208 244 B1 nego, do którego można by przyłożyć przyrząd do pomiaru odległości oraz ze względu na tolerancję położenia środka obszaru pomiarowego, podawaną przez producenta badanego przyrządu.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że wybiera się dwa położenia punktów pomiarowych: pierwsze i drugie względem tarczy, w których mierzy się wartość sygnału wyjściowego czujnika badanego przyrządu, a współczynnik kalibracji wyznacza się jako stosunek wartości odległości wybranych punktów pomiarowych: pierwszego i drugiego do sumy stosunków wartości sygnałów: pierwszego i drugiego z czujnika badanego przyrządu do wartości prędkości kątowych, odpowiednio: pierwszej w punkcie pomiarowym pierwszym i drugiej w punkcie pomiarowym drugim. Korzystnie jest, gdy użyteczny sygnał z czujnika badanego przyrządu ustala się przez zmianę wzajemnego położenia tarczy i czujnika badanego przyrządu za pomocą układu przesuwu w kierunku prostopadłym do płaszczyzny tarczy. Korzystnie jest, gdy punkty pomiarowe: pierwszy i drugi wybiera się po przeciwnych stronach osi obrotu tarczy tak, aby położenia tych punktów pomiarowych i oś obrotu tarczy leżały na jednej prostej, a odległości tych punktów od osi obrotu tarczy były równe. Korzystnie jest również, gdy odległość pomiędzy wybranymi punktami pomiarowymi pierwszym i drugim określa się jako przesunięcie śrubowego mechanizmu napędzanego silnikiem krokowym. Korzystnie jest, gdy prostą przechodzącą przez położenia punktów pomiarowych: pierwszego i drugiego wyznacza się jako położenie, dla którego wartość sygnału z badanego przyrządu jest maksymalna, przez wzajemnie przesuwanie tarczy lub badanego przyrządu w płaszczyźnie równoległej do tarczy i kierunku prostopadłym do prostej przechodzącej przez położenia punktów pomiarowych: pierwszego i drugiego.

Istota urządzenia według wynalazku polega na tym, że wyposażony jest w dwa dodatkowe układy przesuwu: pierwszy i drugi, przesuwające uchwyt czujnika badanego przyrządu względem tarczy w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny tarczy, we wzajemnie prostopadłych kierunkach aż do wyznaczenia prostej łączącej wybrane punkty pomiarowe: pierwszy i drugi i ustalenia odległości pomiędzy punktami pomiarowymi: pierwszym i drugim. Korzystnie jest, gdy napęd układów przesuwu: pierwszego i drugiego stanowią silniki krokowe: pierwszy i drugi z śrubowymi mechanizmami napędowymi.

Sposób i urządzenie według wynalazku umożliwia badanie dowolnych bezkontaktowych przyrządów do pomiaru prędkości liniowej bez konieczności używania uchwytów dla konkretnych czujników badanego przyrządu ustalających stałe wzajemne położenie czujnika i osi obrotu tarczy. Układ przesuwu tarczy lub czujnika badanego przyrządu za pomocą silników krokowych i śrubowego mechanizmu napędowego. Sposób i urządzenie według wynalazku pozwala na automatyczne ustawienie czujnika w najkorzystniejszych punktach pomiarowych oraz na pośredni pomiar odległości wybranych punktów pomiarowych. Przy badaniu przyrządów sposobem według wynalazku zbędne jest obliczanie prędkości liniowej, a tym samym nie jest konieczna dokładna znajomość położenia punktu pomiarowego, a nadto nie jest konieczne określenie odległości punktu pomiaru od osi obrotu tarczy. Na dokładność wyników badania przyrządu i określenia jego błędu pomiaru prędkości nie ma wpływu niewielkie przesunięcie linii łączącej punkty pomiaru od osi obrotu tarczy. Jedyna wielkość geometryczna, którą określa się jako odległość pomiędzy położeniami punktów pomiarowych, w których wykonuje się pomiary. W sposobie według wynalazku odległości tej nie mierzy się przyrządami do tego celu używanymi, lecz oblicza się ją w sposób pośredni jako iloczyn wykonanych kroków silnika krokowego, liczby kroków na jeden obrót skoku gwintu mechanizmu śrubowego poruszającego uchwyt czujnika lub silnik z tarczą , w kierunku równoległ ym do pł aszczyzny tarczy, co pozwala zmniejszyć niepewność wyników badania przyrządu, poprzez zmniejszenie składnika niepewności wyznaczania odległości punktów pomiarowych.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania objaśniony jest na rysunku, którego fig. 1 przedstawia schemat urządzenia do badań bezkontaktowych przyrządów do pomiaru prędkości liniowej, fig. 2 przedstawia schemat tarczy z wybranymi punktami pomiarowymi.

Urządzenie do badania bezkontaktowych przyrządów do pomiaru prędkości liniowej, składa się z podstawy P, na której zamocowane są układy przesuwu: pierwszy UP1, drugi UP2 i trzeci UP3. Pierwszy układ przesuwu UP1 napędzany pierwszym silnikiem krokowym SK1 bezpośrednio przesuwa w kierunku osi Y silnik napędzający SN z tarczą T oraz czujnik prędkości kątowej CPK połączony z częstościomierzem CZ, którymi mierzy się prędkość kątową: pierwszą ω1 i drugą ω2 tarczy T. Przed tarczą T umieszczony jest uchwyt U, w którym mocuje się badany przyrząd BC. Zbliżanie i oddalanie badanego przyrządu BC do i od tarczy T uzyskuje się za pomocą trzeciego układu przesuwu UP3 w kierunku umownej osi Z napędzanego trzecim silnikiem krokowym SK3, który osadzony jest na podstawie P i na którym zamontowany jest drugi układ przesuwu UP2 napędzany drugim silnikiem krokowym SK2. Drugi układ przesuwu UP2 przesuwa pierwszy układ przesuwu UP1 w umownym

PL 208 244 B1 kierunku X. Trzecim układem przesuwu UP3 ustawia się badany przyrząd BC we właściwej odległości od tarczy T zgodnie z instrukcją techniczno-ruchową badanego przyrządu BC. Każda zmiana odległości czujnika badanego przyrządu BC od osi O obrotu tarczy T wymaga ponownego wykonania pomiaru odległości środka obszaru pomiarowego czujnika badanego przyrządu BC od osi O obrotu tarczy T. Badany przyrząd BC do pomiaru prędkości liniowej mocuje się uchwytem U w pobliżu tarczy T, po czym uruchamia się silnik SN napędzający tarczę T. Tarczę T zbliża się do czujnika badanego przyrządu BC za pomocą trzeciego układu przesuwu UP3 aż do momentu odczytania wartości sygnału pomiarowego z czujnika badanego przyrządu BC. Przed rozpoczęciem zasadniczych pomiarów wyznacza się prostą poziomą przechodzącą przez oś O obrotu tarczy T. W tym celu tarczę T przesuwa się drugim układem przesuwu UP2 tak, aby środek obszaru pomiarowego czujnika badanego przyrządu BC znajdował się w pobliżu prostej poziomej, przechodzącej przez oś O obrotu tarczy T w pobliżu jej krawędzi. Do wyznaczenia prostej wykorzystuje się fakt, że wskazanie maksymalnej prędkości czujnika badanego przyrządu BC występuje wtedy, gdy pomiar jest wykonywany na wyznaczonej prostej poziomej. W tym celu przesuwa się pierwszym układem przesuwu UP1 tarczę T do góry o niewielkie przesunięcie takie, aby kolejny punkt pomiaru znajdował się poniżej poszukiwanej prostej, rejestrując zmianę położenia oraz wartość sygnału wyjściowego z czujnika badanego przyrządu BC. Pierwszym układem przesuwu UP1 przesuwa się tarczę T w dół tak, aby trzeci punkt pomiaru znajdował się powyżej poszukiwanej prostej poziomej, przechodzącej przez oś obrotu O tarczy T, rejestrując zmianę położenia oraz wartość sygnału wyjściowego z czujnika badanego przyrządu BC. W oparciu o zarejestrowane wyniki pomiarów i wartości przesunięć, stosują c regresję liniową dla wielomianu drugiego stopnia oblicza się położenie pierwszego układu przesuwu UP1 przy maksymalnej wartości sygnału wyjściowego z czujnika badanego przyrządu BC. Do tego położenia przesuwa się pierwszym układem przesuwu UP1 tarczę T. To położenie jest pierwszym punktem pomiarowym A, w którym mierzy się prędkość kątową tarczy ω1 i wartość sygnału pomiarowego S1.

Następnie określa się położenie drugiego wybranego punktu B, symetrycznie leżącego względem osi O obrotu tarczy T, przesuwając drugim układem przesuwu UP2 tarczę T poziomo aż do momentu, gdy wartość sygnału pomiarowego S2 jak najmniej różni się od wartości sygnału S1 uzyskanego w pierwszym punkcie pomiarowym A. Rejestruje się wartość przesunięcia drugiego układu przesuwu UP2 pomiędzy położeniami punktów: pierwszego A i drugiego B oraz prędkość kątową ω2 i wartość sygnału S2 uzyskanego w drugim punkcie pomiarowym B. Możliwe są również przesuwy pierwszym układem UP1, pod warunkiem, że algebraiczna suma tych przesunięć będzie równa zero. Znając wartość przesunięcia poziomego L pomiędzy punktami: pierwszym A i drugim B, wartości prędkości kątowych: pierwszej ω1 i drugiej ω2 tarczy T oraz wartości sygnałów pomiarowych: pierwszego S1 i drugiego S2 czujnika badanego przyrządu BC oblicza się współczynnik kalibracji kv badaL nego przyrządu z zależności: k_v =—. Dla określenia prędkości kątowej: pierwszej ω₁ i drugiej ^S1 + ^S2 ^ω1 ^ω 2 ω2 zlicza się znaczniki m umieszczone na obwodzie tarczy T za pomocą częstościomierza CZ. Prędkościom kątowym: pierwszej ω1 i drugiej ω2 odpowiadają wówczas częstotliwości: pierwsza f1 i drugiego f2 zmierzone przez częstościomierz CZ, a współczynnik kalibracji kv oblicza się z zależności , 2nL k„ =— --. Podane zależności wynikają z przekształceń definicji współczynnika

S1 S f1 f2 v ω r k_v = — =-, gdzie v oznacza prędkość liniową, S oznacza wartość sygnału z badanego przyrządu BC,

SS ω oznacza prędkość kątową i r oznacza promień tarczy T. Współczynniki kalibracji kv wyznaczone dla różnych promieni i częstotliwości są teoretycznie takie same, stąd współczynnik kalibracji kv dla ω ₂r₂ dwóch promieni r1 i r2 wyznacza się zgodnie z zależnością , w której indeksy dolne ^S1 ^S2 oznaczają odpowiednio pierwszy A i drugi B punkt pomiarowy. Mnoży się licznik i mianownik równania przez sumę dwóch promieni i eliminuje z mianownika promień r2, korzystając z poprzedniej zależności.

PL 208 244 B1

Uzyskuje się zależność, w której zamiast dwóch promieni r1 i r2 występuje suma dwóch promieni r1 r2:

^ωΐΓΐ (1 + ^r2 ) = ^ωΐ ^(ri + ^r2 ) = (1 + ^r2 ) ^S1 ⁽1 + ^r2 ) S1 + — ^S1 + ^S2 ^{1 r}1 ^ω1 ^ω2

Analogiczne przekształcenie można wykonać dla różnicy dwóch promieni. Sumę dwóch promieni przybliża się sumą odległości punktów pomiarowych: pierwszego l1 i drugiego l2 od przesunięcia X0 w kierunku X i przesunięcia Y0 w kierunku Y osi O obrotu tarczy T. Obliczony błąd względny powstały w wyniku takiej aproksymacji dla przesunięcia X0 mniejszego od 0,5 mm i sumy odległości L = l1 + I2 równej 200 mm jest mniejszy od 0,001% czyli 10 ppm. Nastę pnie wykorzystując zmierzone prędkości kątowe: pierwszą ω1 i drugą ω2, zliczone znaczniki m umieszczone na obwodzie tarczy T za pomocą częstościomierza CZ zastępuje się pulsacje ω1 i ω2 przez częstotliwości f1 i f2 z częstościomierza CZ i oblicza się wartość współczynnika kalibracji kv z zależności:

^2π(( +¹2 ) m fSi+ l ^fi v k=

2nL f Si S2 ml —+- ² f1 f2 gdzie S1 oznacza wartość sygnału w pierwszym położeniu A z badanego przyrządu BC, S2 oznacza wartość sygnału w drugim położeniu B, f1 oznacza częstotliwość z układu pomiaru prędkości kątowej tarczy T w pierwszym położeniu A, fz oznacza częstotliwość z układu pomiaru prędkości kątowej tarczy T w drugim położeniu B, a L jest odległością pomiędzy położeniami punktów pomiarowych: pierwszym A i drugim B. W przypadku kontroli badanego przyrządu BC najczęściej wyznacza się błąd bezwzględny i błąd względny pomiaru lub poprawkę, o jaką należy skorygować wynik pomiaru, aby uzyskać wynik poprawny.

Współczynnik kv, w przypadku kontroli przyrządu badanego, jest stosunkiem prędkości liniowej tarczy T do zmierzonej prędkości liniowej, wskazywanej przez badany przyrząd BC. Względny błąd δΧ pomiaru wyraża się zależnością:

δX=--1. Procedurę pomiaru powtarza się dla kolejnego punktu, prędkości kątowej lub obliczonej ^kv prędkości liniowej. Po zakończeniu badania odsuwa się tarczę T od badanego przyrządu BC i demontuje przyrząd badany BC. Pary wyników: prędkość kątowa lub liniowa i obliczony współczynnik kv lub błąd pomiaru, wykonane dla wybranych prędkości, wyznaczają kolejne punkty charakterystyki zmian współczynnika czułości lub błędu przyrządu jako funkcji prędkości. Wartości sygnału z badanego przyrządu BC i wartości prędkości kątowej tarczy CPK przekazywane są do układu komputerowego, który steruje pracą silników krokowych: pierwszego SK1, drugiego SK2 i trzeciego SK3 napędzających układy przesuwu: pierwszy UP1, drugi UP2 i trzeci UP3. Urządzenie według wynalazku może być również sterowane ręcznie.

Claims (7)

1. Sposób badania bezkontaktowych przyrządów do pomiaru prędkości liniowej na wirującej tarczy polegający na tym, że mierzy się wartości prędkości kątowej tarczy, wartości sygnału z czujnika badanego przyrządu, odległości punktów, po czym wyznacza się współczynnik kalibracji lub błąd pomiaru oraz wyznacza się charakterystykę zmian współczynnika czułości lub błędu czujnika przyrządu od prędkości, znamienny tym, że wybiera się dwa położenia punktów pomiarowych: pierwszy (A) i drugi (B) względem tarczy (T), w których mierzy się wartość sygnału wyjściowego badanego przyrządu (BC), a współczynnik kalibracji (kv) wyznacza się jako stosunek wartości odległości (L) wybranych punktów pomiarowych: pierwszego (A) i drugiego (B) do sumy stosunków wartości sygnałów: pierwszego (S1) i drugiego (S2) z czujnika badanego przyrządu (BC) do wartości prędkości kątowych, odpowiednio: pierwszej (ω1) w punkcie pomiarowym pierwszym (A) i drugiej (ω2) w punkcie pomiarowym drugim (B).

PL 208 244 B1

2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że użyteczny sygnał z czujnika badanego przyrządu (BC) ustala się przez zmianę wzajemnego położenia tarczy (T) i czujnika badanego przyrządu (BP) za pomocą układu przesuwu (UP3) w kierunku Z prostopadłym do płaszczyzny tarczy (T).

3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że punkty pomiarowe: pierwszy (A) i drugi (B) wybiera się po przeciwnych stronach osi obrotu (O) tarczy (T) tak, aby położenia tych punktów pomiarowych i oś obrotu (O) tarczy (T) leżały na jednej prostej, a odległości tych punktów od osi obrotu (O) tarczy (T) były równe.

4. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że odległość (L) pomiędzy wybranymi punktami pomiarowymi pierwszym (A) i drugim (B) określa się jako przesunięcie śrubowego mechanizmu (UP2) napędzanego silnikiem krokowym (SK2).

5. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że prostą przechodzącą przez położenia punktów pomiarowych: pierwszego (A) i drugiego (B) wyznacza się jako położenie, dla którego wartość sygnału z badanego przyrządu jest maksymalna, przez wzajemnie przesuwanie tarczy (T) lub badanego przyrządu (BC) w płaszczyźnie równoległej do tarczy (T) i kierunku prostopadłym do prostej przechodzącej przez położenia punktów pomiarowych: pierwszego (A) i drugiego (B).

6. Urządzenie do badania bezkontaktowych przyrządów do pomiaru prędkości liniowej, w którym fotoelektryczny czujnik prędkości kątowej połączony jest z częstościomierzem, a silnik napędowy tarczy połączony jest z regulatorem prędkości kątowej, przy czym badany przyrząd, układ przesuwu badanego przyrządu względem tarczy i silnik napędowy tarczy połączone są z układem komputerowym, znamienne tym, że wyposażone jest w dwa dodatkowe układy przesuwu: pierwszy (UP1) i drugi (UP2), przesuwające uchwyt czujnika badanego przyrządu (BC) względem tarczy (T) w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny tarczy (T), we wzajemnie prostopadłych kierunkach aż do wyznaczenia prostej łączącej wybrane punkty pomiarowe: pierwszy (A) i drugi (B) i ustalenia odległości pomiędzy punktami pomiarowymi: pierwszym (A) i drugim (B).

7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że napęd układów przesuwu: pierwszego (UP1) i drugiego (UP2) stanowią silniki krokowe: pierwszy (SK1) i drugi (SK2) z śrubowymi mechanizmami napędowymi.