Спосіб вимірювання параметрів руху і вібрації

Реферат: Спосіб вимірювання параметрів руху і вібрації включає опромінення контрольованого об'єкта електромагнітним сигналом надвисокої частоти, утворення квадратурних сигналів внаслідок інтерференції відбитого від об'єкта сигналу з опорним сигналом у хвилевідній секції з двома зондами, з'єднаними з напівпровідниковими детекторами, і визначення переміщення об'єкта x в момент вимірювання відносно його положення в початковий момент. Зонди розташовані один від одного на відстані однієї десятої довжини хвилі електромагнітного випромінювання у хвилеводі; біквадратне рівняння, якому задовольняє дійсний коефіцієнт відбиття. UA 89602 U (12) UA 89602 U UA 89602 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до вимірювальної техніки, зокрема до засобів вимірювання параметрів вібрації. Для побудови вимірювачів параметрів руху, зокрема вібрацій досить привабливим є застосування радіохвильових методів. Це зумовлене цілою низкою причин, найбільш вагомими з яких є безінерційність і відсутність механічного контакту з контрольованим об'єктом. Одним з поширених радіохвильових методів є інтерференційний метод (Викторов В. А. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов / В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Совлуков. – М.: Энергоатомиздат, 1989. - 208 с). В основі цього методу лежить визначення параметрів руху за зсувом фази між електромагнітною хвилею, відбитою від контрольованого об'єкта, і зондуючою електромагнітною хвилею. Цей зсув фаз можна визначній з двох квадратурних сигналів. На цей час звичайним способом формування таких сигналів є застосування спеціальних пристроїв, до числа яких входить подільник потужності та аналоговий або цифровий квадратурний змішувач (Kim S. A displacement measurement technique using millimeterwave interferometry / S. Kim, С Nguyen // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2003. - V. 51, No 6. - P. 1724-1728; Kim S. On the development of a multifunction millimeter-wave sensor for displacement sensing and low-velocity measurement / S. Kim, C. Nguyen // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2004. - V. 52, No 11. - P. 2503-2512). Однак це призводить до ускладнення конструкції; крім того, при цьому треба вживати заходи для мінімізації нелінійності фазової характеристики квадратурного змішувача, зумовленої розбалансом фаз та амплітуд. Ці недоліки усунено в способі вимірювання параметрів руху і вібрації (Патент України на корисну модель № 63184, МПК G01H9/00. Спосіб вимірювання параметрів руху і вібрації; опубл. 26.09.2011, Бюл. № 18), апаратна реалізація якого набагато простіша. В цьому способі об'єкт, що вібрує, зондується електромагнітними хвилями діапазону надвисоких частот (НВЧ). Відбитий від об'єкта сигнал інтерферує із зондуючим сигналом в хвилевідній секції, що містить два зонди, розташовані один від одного на відстані однієї восьмої довжини хвилі електромагнітного випромінювання в хвилеводі. З цими зондами з'єднані напівпровідникові детектори. Зі струмів цих напівпровідникових детекторів спочатку визначається коефіцієнт відбиття об'єкта, а потім зі струмів напівпровідникових детекторів та знайденого за ними коефіцієнта відбиття визначаються два квадратурні сигнали і переміщення об'єкта знаходиться з цих квадратурних сигналів за алгоритмом, наведеним в (Сильвиа М.Т. Обратная фильтрация геофизических временных рядов при разведке на нефть и газ / М.Т.Сильвиа, Э.А. Робинсон. - М.: Недра, 1983. - 447 с). Однак формула, що виражає коефіцієнт відбиття через виміряні струми напівпровідникових детекторів, є чинною тільки для коефіцієнтів відбиття, які не перевищують 1 . Це обмежує область застосовності цього способу, тому що при невеликих відстанях між 2 об'єктом та антеною коефіцієнт відбиття може бути близьким до одиниці. Найбільш близьким аналогом є спосіб вимірювання параметрів руху і вібрації (Патент України на корисну модель №80300, МПК G01H9/00. Спосіб вимірювання параметрів руху і вібрації, опубл. 27.05.2013, Бюл. № 10). На відміну від зазначеного вище способу вимірювання параметрів руху і вібрації (Патент України на корисну модель №63184, МПК G01H9/00. Спосіб вимірювання параметрів руху і вібрації; опубл. 26.09.2011, Бюл. № 18.), який є застосовним тільки для коефіцієнтів відбиття, що не перевищують 1 , найближчий аналог дозволяє 2 вимірювати переміщення об'єкта при довільному коефіцієнті відбиття. В найближчий аналог з біквадратного рівняння, яке пов'язує дійсний коефіцієнт відбиття зі струмами напівпровідникових детекторів, що з'єднані із двома установленими в хвилевідній секції зондами, розташованими один від одного на відстані однієї восьмої довжини хвилі електромагнітного випромінювання в хвилеводі, знаходиться ефективний коефіцієнт відбиття як менший додатний корінь цього рівняння і квадратурні сигнали, які потрібні для обчислення переміщення об'єкта за алгоритмом, наведеним в (Сильвиа М.Т. Обратная фильтрация геофизических временных рядов при разведке на нефть и газ. - М. : Недра, 1983. - 447 с.), визначаються зі струмів напівпровідникових детекторів та знайденого за цими струмами ефективного коефіцієнта відбиття. Однак недоліком найближчого аналога є те, що оскільки при дійсних коефіцієнтах відбиття, близьких до одиниці, ефективний коефіцієнт відбиття може не співпадати з дійсним коефіцієнтом відбиття, у вимірюванні переміщення може виникати похибка. При вимірюваннях за найближчим аналогом максимальна величина цієї похибки становить близько 4,4 % від довжини хвилі зондуючого електромагнітного випромінювання у вільному просторі в, тобто при роботі на частоті 10 ГГц (в = 3 см) максимальна похибка (яка досягається при дійсному коефіцієнті відбиття, що дорівнює одиниці) становить близько 1,3 мм. 1 UA 89602 U 5 Технічною задачею, на вирішення якої направлена корисна модель, є зниження похибки визначення відносного переміщення, пов'язаної з різницею між ефективним та дійсним коефіцієнтом відбиття. У відповідності зі сказаним вище, технічний результат, що досягається при здійсненні корисної моделі, полягає в підвищенні точності вимірювань при дійсних коефіцієнтах відбиття, близьких до одиниці. Поставлена задача вирішується у способі, що полягає у відмові від вимоги, щоб міжзондова відстань становила одну восьму довжини хвилі зондуючого електромагнітного випромінювання, та розгляді випадку довільної міжзондової відстані. Хай міжзондова відстань дорівнює  . Тоді дійсний коефіцієнт відбиття об'єкта r задовольняє такому біквадратному рівнянню: r4  r2 10 J  Jr1  Jr 2  21  sin  2 cos2   r1  1 15 20 1  sin  2   Jr 2  1  2Jr1  1Jr 2  1sin   0,. 21  sin  2    x / 8  де     ; 2  x / 8    х - довжина хвилі зондуючого електромагнітного випромінювання у хвилеводі; Jr1 - струм напівпровідникового детектора, з'єднаного з дальшим від об'єкта зондом, який нормовано на його значення в режимі біжучої хвилі; Jr2 - струм напівпровідникового детектора, з'єднаного з ближчим до об'єкта зондом, який нормовано на його значення в режимі біжучої хвилі. Це рівняння має два додатні корені, один з яких є дійсним коефіцієнтом відбиття, а другий є побічним коренем. Введемо, як і у найближчому аналозі, ефективний коефіцієнт відбиття об'єкта ref, який тепер визначатиметься як менший додатний корінь наведеного вище біквадратного рівняння, і будемо знаходити переміщення об'єкта з використанням цього ефективного коефіцієнта відбиття. Тоді, як і у найближчому аналозі, переміщення об'єкта χ в момент вимірювання tn, n = 0,1,2,..., відносно його положення в початковий момент часу t0 буде визначатися за формулами:  sin t n  arctg , sin t n   0, cos t n   0 ,  cos t n   sin t n   t n   arctg  , sin t n   0, cos t n   0 чи sin t n   0, cos t n   0 , cos t n   sin t n   arctg  2, sin t n   0, cos t n   0 ,  cos t n   25  0 , n  0,  t n    t n1   t n   t n1 , t n   t n1   , n  1 2 ... , , t   t   2 sgn t   t , t   t   , n  1, 2 ... , n n n1 n n1  n1 в t n , n  0, 1 2, ..., , 4 де  - нерозгорнута фаза; θ - розгорнута фаза; в - довжина хвилі електромагнітного випромінювання генератора у вільному просторі; і cos(tn) буде знаходитися зі струмів напівпровідникових детекторів J r1 і Jr2 та визначеного за ними ефективного коефіцієнта відбиття ref як xt n  30 r t 2  1 Jr1t n  cos t n   ef n , 2ref t n  35 але, на відміну від найближчого аналога, наведене вище біквадратне рівняння, якому задовольняє дійсний коефіцієнт відбиття r і менший додатний корінь якого дає ефективний коефіцієнт відбиття ref буде мати інший вигляд, ніж у найближчому аналозі, і sin(tn) буде знаходитися зі струмів напівпровідникових детекторів Jr1 і Jr2 та визначеного за ними ефективного коефіцієнта відбиття ref як: sin tn   ref tn 2 1  sin   1  Jr 2 tn   Jr1tn   1sin  . 2ref tn  2 UA 89602 U На фіг. 1 наведено залежність максимальної похибки у визначенні переміщення хmах, що виникає при цьому, від дійсного коефіцієнта відбиття r при різних значеннях міжзондової відстані  :    x / 8 (як у найближчому аналозі), 5 10 15 20 25   0,9x / 8  9x / 80 ,   0,8x / 8  x / 10 ,   0,7x / 8  7x / 80 , i   0,5x / 8  9x / 16 . Як видно з фіг. 1, похибка визначення переміщення має місце при дійсних коефіцієнтах відбиття, близьких до одиниці, і вона швидко зменшується зі зменшенням міжзондової відстані. Але на практиці міжзондову відстань можна зменшувати лише до певної границі. Справа в тому, що при зменшенні міжзондової відстані значення струмів напівпровідникових детекторів наближаються одне до одного, в результаті чого зростає похибка у визначенні переміщення об'єкта, зумовлена похибкою у струмах напівпровідникових детекторів, зокрема через наявність шумів. Тому раціональним значенням міжзондової відстані є таке, при якому, з одного боку, зменшується похибка, зумовлена різницею між ефективним та дійсним коефіцієнтом відбиття, а з іншого боку, похибка, зумовлена шумами струмів напівпровідникових детекторів, ще є незначною. Для визначення цього раціонального значення було проведене комп'ютерне моделювання процесу вимірювання переміщення об'єкта при різних значеннях міжзондової відстані та дійсного коефіцієнта відбиття. Моделювалося визначення переміщення об'єкта, який здійснює гармонійні коливання з амплітудою А, що перевищує довжину хвилі електромагнітного випромінювання у вільному просторі в (A=2,5в). При моделюванні вважалося, що струми напівпровідникових детекторів містять шумову компоненту, що приймає випадкове значення в межах ±3% від поточного розрахункового значення струму. Результати моделювання представлено на фіг. 2, де наведено залежність максимальної похибки у визначенні переміщення хmах від міжзондової відстані  (нормованої на   x / 8 ) при різних значеннях дійсного коефіцієнта відбиття об'єкта r. Як видно з фіг. 2, за таке раціональне значення міжзондової відстані можна вибрати   0,8 x / 8   x / 10 , при якому у порівнянні з    x / 8 похибка хmax зменшується більш ніж удвічі для дійсних коефіцієнтів відбиття, близьких до одиниці (r = 1; 0,95; 0,9) та лишається приблизно такою ж самою, тобто не погіршується, для менших дійсних коефіцієнтів відбиття (r = 0,7; 0,3; 0,2; 0,1). Саме таке значення міжзондової відстані й використане у способі, що пропонується в цій корисній моделі. При цьому значенні    x / 10   x / 8       , і тому біквадратне рівняння, якому 2 x / 8 10  задовольняє дійсний коефіцієнт відбиття r і менший додатний корінь якого дає ефективний коефіцієнт відбиття ref, стає таким: міжзондової 30 r4  r2 J  відстані  Jr1  Jr 2  21  sin / 10   2 cos2  / 10   1  sin / 10  r1  1 2   Jr 2  1  2Jr1  1Jr 2  1 sin / 10   0,. 21  sin / 10  2 і вираз для визначення sin (tn) набуває вигляду: ref tn 2 1  sin / 10   1  Jr 2 tn   Jr1tn   1sin / 10  . 2ref tn  Зі сказаного вище випливає, що суттєві ознаки цієї корисної моделі полягають в тому, що з'єднані з напівпровідниковими детекторами зонди розташовані один від одного на відстані однієї десятої довжини хвилі електромагнітного випромінювання у хвилеводі, біквадратне рівняння, менший додатний корінь якого дає ефективний коефіцієнт відбиття rеf, має вигляд: sin tn   35 r4  r2 J  Jr1  Jr 2  21  sin / 10  2 cos2  / 10   1  sin / 10  r1  1 40 2   Jr 2  1  2Jr1  1Jr 2  1sin / 10   0, 21  sin / 10  2 і sin (tn) знаходиться зі струмів напівпровідникових детекторів J r1 і Jr2, та визначеного за ними ефективного коефіцієнта відбиття rеf як ref tn 2 1  sin / 10   1  Jr 2 tn   Jr1tn   1sin / 10  . 2ref tn  Сукупність цих суттєвих ознак забезпечує досягнення зазначеного технічного результату, а саме підвищення точності вимірювань при дійсних коефіцієнтах відбиття, близьких до одиниці. sin tn   3 UA 89602 U 5 Таким чином, зазначений технічний результат (підвищення точності вимірювань при дійсних коефіцієнтах відбиття, близьких до одиниці) досягається тим, що в способі вимірювання параметрів руху і вібрації, що включає опромінення контрольованого об'єкта електромагнітним сигналом надвисокої частоти, утворення квадратурних сигналів внаслідок інтерференції відбитого від об'єкта сигналу з опорним сигналом у хвилевідній секції з двома зондами, з'єднаними з напівпровідниковими детекторами, і визначення переміщення об'єкта x в момент вимірювання відносно його положення в початковий момент часу t0 за формулами:  sin tn  arctg , sin tn   0, cos tn   0 ,  cos tn   sin tn   tn   arctg  , sin tn   0, cos tn   0 чи sin tn   0, cos tn   0 , cos tn   sin tn   arctg  2, sin tn   0, cos tn   0 ,  cos tn    0 , n  0,  tn    tn1  tn   tn1, tn   tn1  , n  1 2 ... , , t   t   2 sgn t   t , t   t   , n  1 2 ... , , n n n1 n n1  n1 10 15 в tn , n  0, 1 2, ... , , 4 де  - нерозгорнута фаза;  - розгорнута фаза; t0, t1,t2,...., tn,..., - моменти вимірювань; n = 0,1,2,..., - номер вимірювання; в - довжина хвилі електромагнітного випромінювання генератора у вільному просторі; причому cos (tn), який входить в вирази для визначення переміщення, знаходиться зі струмів напівпровідникових детекторів та визначеного за цими струмами ефективного коефіцієнта відбиття як: xtn   r t 2  1 Jr1tn  cos tn   ef n , 2ref tn  20 25 де Jr1 - струм напівпровідникового детектора, з'єднаного з дальшим від об'єкта зондом, нормований на його значення в режимі біжучої хвилі; ref - ефективний коефіцієнт відбиття об'єкта, що визначається як менший додатний корінь біквадратного рівняння, якому задовольняє дійсний коефіцієнт відбиття r; згідно з пропонованою корисною моделлю, зонди розташовані один від одного на відстані однієї десятої довжини хвилі електромагнітного випромінювання у хвилеводі; біквадратне рівняння, якому задовольняє дійсний коефіцієнт відбиття r, має вигляд: r4  r2 J  Jr1  Jr 2  21  sin / 10  2 cos2  / 10   1  sin / 10  r1  1 30 2   Jr 2  1  2Jr1  1Jr 2  1sin / 10   0, 21  sin / 10  2 де Jr2 - струм напівпровідникового детектора, з'єднаного з ближчим до об'єкта зондом, нормований на його значення в режимі біжучої хвилі; і sin (tn), який входить в вирази для визначення переміщення, знаходиться зі струмів напівпровідникових детекторів та визначеного за цими струмами ефективного коефіцієнта відбиття як: ref tn 2 1  sin / 10   1  Jr 2 tn   Jr1tn   1sin / 10  . 2ref tn  Для підтвердження можливості здійснення цієї корисної моделі було проведене комп'ютерне моделювання процесу вимірювання переміщення об'єкта згідно з запропонованим способом (    x / 10 ). Як і при визначенні раціонального значення міжзондової відстані, моделювалося визначення переміщення об'єкта, що здійснює гармонійні коливання з амплітудою А, яка перевищує довжину хвилі електромагнітного випромінювання у вільному просторі в (A=2,5в), та при моделюванні вважалося, що струми напівпровідникових детекторів містять шумову компоненту, що приймає випадкове значення в межах ±3 % від поточного розрахункового sin tn   35 40 4 UA 89602 U 5 10 15 20 значення струму. На фіг. 3 і 4 наведено розраховану залежність похибки визначення переміщення х (нормованої на довжину хвилі електромагнітного випромінювання у вільному просторі в) від часу t (нормованого на період коливань об'єкта Т) для r = 0,95 і 0,1 відповідно. Як можна бачити, для r = 0,95 похибка при    x / 10 (запропонований спосіб) приблизно удвоє нижча, ніж похибка при   x / 8 (найближчий аналог), а для r = 0,1 ці похибки майже однакові, тобто запропонований спосіб дає удвоє кращу точність вимірювання, ніж найближчий аналог, при дійсних коефіцієнтах відбиття, близьких до одиниці, та не поступається найближчому аналогу за точністю при малих дійсних коефіцієнтах відбиття. Таким чином, розглянутий вище практичний приклад підтверджує технічний результат, що досягається використанням цієї корисної моделі - підвищення точності вимірювання переміщення при дійсних коефіцієнтах відбиття, близьких до одиниці. На фіг. 1 наведено розраховану залежність максимальної похибки у визначенні переміщення хmах, пов'язаною з різницею між ефективним коефіцієнтом відбиття ref і дійсним коефіцієнтом відбиття r, від дійсного коефіцієнта відбиття г при різних значеннях міжзондової відстані  . На фіг. 2 наведено розраховану залежність максимальної похибки у визначенні переміщення хmах, пов'язаною з різницею між ефективним коефіцієнтом відбиття ref і дійсним коефіцієнтом відбиття г та наявністю шумової складової струмів напівпровідникових детекторів, від міжзондової відстані  при різних значеннях дійсного коефіцієнта відбиття r. На фіг. 3 наведено розраховану залежність похибки визначення переміщення х від часу t для    x / 10 (запропонований спосіб) і х/8 (найближчий аналог) при r = 0,95. На фіг. 4 наведено розраховану залежність похибки визначення переміщення х від часу t для    x / 10 (запропонований спосіб) і x/8 (найближчий аналог) при r =0,1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Спосіб вимірювання параметрів руху і вібрації, що включає опромінення контрольованого об'єкта електромагнітним сигналом надвисокої частоти, утворення квадратурних сигналів внаслідок інтерференції відбитого від об'єкта сигналу з опорним сигналом у хвилевідній секції з двома зондами, з'єднаними з напівпровідниковими детекторами, і визначення переміщення об'єкта x в момент вимірювання відносно його положення в початковий момент часу t0 за формулами:  sin tn  arctg , sin tn   0, cos tn   0 ,  cos tn   sin tn   tn   arctg  , sin tn   0, cos tn   0 чи sin tn   0, cos tn   0 , cos tn   sin tn   arctg  2, sin tn   0, cos tn   0 ,  cos tn    0 , n  0,  t n    t n 1  tn   t n 1, t n   t n 1  , n  1 2 ... , , t   t   2 sgn t   t , t   t   , n  1 2 ... , , n n n 1 n n 1  n 1 35 40 xt n   в t n , n  0, 1 2, ..., , 4 де  - нерозгорнута фаза;  - розгорнута фаза; t0, t1, t2, ..., tn, ... - моменти вимірювань; n = 0, 1, 2, ... - номер вимірювання; в - довжина хвилі електромагнітного випромінювання генератора у вільному просторі; причому cos (tn), який входить в вирази для визначення переміщення, знаходиться зі струмів напівпровідникових детекторів та визначеного за цими струмами ефективного коефіцієнта відбиття як: r t 2  1 Jr1tn  cos tn   ef n , 2ref tn  5 UA 89602 U 5 де Jr1 - струм напівпровідникового детектора, з'єднаного з дальшим від об'єкта зондом, нормований на його значення в режимі біжучої хвилі; ref - ефективний коефіцієнт відбиття об'єкта, що визначається як менший додатний корінь біквадратного рівняння, якому задовольняє дійсний коефіцієнт відбиття r; який відрізняється тим, що зонди розташовані один від одного на відстані однієї десятої довжини хвилі електромагнітного випромінювання у хвилеводі; біквадратне рівняння, якому задовольняє дійсний коефіцієнт відбиття r, має вигляд 4 r r 10 2 Jr1  Jr 2  21  sin / 10  2 cos 2  / 10   Jr1  1 2   1  sin / 10   Jr 2  1  2Jr1  1Jr 2  1sin / 10   0,. 21  sin / 10  2 де Jr2 - струм напівпровідникового детектора, з'єднаного з ближчим до об'єкта зондом, нормований на його значення в режимі біжучої хвилі; і sin(tn), який входить в вирази для визначення переміщення, знаходиться зі струмів напівпровідникових детекторів та визначеного за цими струмами ефективного коефіцієнта відбиття як: r t 1  sin / 10   1  Jr 2 tn   Jr1tn   1sin / 10  sin tn   ef n . 2ref tn  6 UA 89602 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7