RU2109305C1 - Radar device for checking of speed of band conveyers and moving (rotating) assemblies of mechanisms - Google Patents

Abstract

FIELD: speed-control systems. SUBSTANCE: device is made as series-connected speed transducer, amplifier-differentiator, tracking filter, null-comparator, frequency-to-voltage converter, comparison device, and unit which forms command to switch off belt conveyers or mechanisms. EFFECT: improved checking process. 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиолокационным устройства измерения скорости, основанным на эффекте Допплера. Основная область его применения - в качестве контрольно-измерительных приборов для защиты конвейеров (ленточные, цепные, скребковые) от аварий и перегрузок. The invention relates to a radar device for measuring speed based on the Doppler effect. The main area of its application is as instrumentation for the protection of conveyors (belt, chain, scraper) from accidents and overloads.

В различных отраслях отечественной промышленности для контроля работы ленточных, скребковых и др. конвейеров или движущихся узлов механизмов используют устройства контроля скорости (УКС) и реле скорости (РС) разных модификаций. В качестве датчиков скорости для УКС и РС применяют тахогенераторные датчики УПДС, бесконтактные БКВ, магнитоиндуктивные ДМ и емкостные типа СУС. Для передачи момента движения на датчик скорости применяют прижимные ролики с крыльчаткой, либо крыльчатку, насаженную на два ведущего (ведомого) механизма, либо другое приспособление. In various sectors of the domestic industry, to control the operation of belt, scraper and other conveyors or moving nodes of mechanisms, speed control devices (UKS) and speed relays (RS) of various modifications are used. As speed sensors for UKS and RS, tacho-generator sensors UPDS, non-contact BKV, magneto-inductive DM and capacitive type SUS are used. To transmit the moment of movement to the speed sensor, pinch rollers with an impeller, or an impeller mounted on two leading (driven) mechanisms, or another device are used.

Типовое УКС содержит механический узел передачи момента движения, датчик скорости, входной узел, преобразователь, устройство сравнения, выходной блок. При движении, например, ленточного конвейера прижимной ролик соприкасается с лентой и с помощью крыльчатки, насаженной на вал ролика, возбуждает в датчике скорости переменный ток, частота которого пропорциональна скорости ленты. Трансформатор входного узла отделяет искробезопасную цепь датчика скорости от других узлов. Далее переменный сигнал преобразуется в напряжение и сравнивается с опорными напряжениями нижнего и верхнего пределов скорости. Если скорость ленты отличается от допустимой, входной блок выдает команду на остановку конвейера. A typical UKS contains a mechanical unit for transmitting the moment of motion, a speed sensor, an input unit, a converter, a comparison device, an output unit. During the movement of, for example, a conveyor belt, the pinch roller contacts the belt and, using the impeller mounted on the roller shaft, excites an alternating current in the speed sensor whose frequency is proportional to the belt speed. The input node transformer separates the intrinsically safe speed sensor circuit from other nodes. Next, the alternating signal is converted to voltage and compared with the reference voltages of the lower and upper speed limits. If the belt speed is not acceptable, the input unit gives a command to stop the conveyor.

При эксплуатации на ряде объектов обнаружился малый ресурс работы УКС до отказа, почти на порядок меньший, чем ресурс самого оборудования. Причиной является механический узел передачи момента движения на датчик скорости. Например, в датчиках УПДС разрушается прижимное устройство с тахогенератором, прижимной ролик с крыльчаткой для датчиков ДМ, БКВ начинает проскальзывать и т.п. Заметим, что эти узлы находятся в зоне перемещения продукта, который их засоряет со временем и стопорит. During operation at a number of facilities, a short service life of the UKS to failure was found, almost an order of magnitude smaller than the resource of the equipment itself. The reason is the mechanical node transmitting the moment of motion to the speed sensor. For example, in the UPDS sensors, the pressure device with the tachogenerator is destroyed, the pressure roller with the impeller for the sensors DM, BKV starts to slip, etc. Note that these nodes are in the zone of movement of the product, which clogs them over time and stops.

Емкостные датчики скорости имеют похожие недостатки и, кроме того, требуют близкого расположения (единицы сантиметров) к крыльчатке и ей подобным элементам, а также периодической подстройки. Capacitive speed sensors have similar disadvantages and, in addition, require close proximity (units of centimeters) to the impeller and similar elements, as well as periodic adjustment.

Известны оптические и инфракрасные датчики (дальномеры), которые не применяют из-за воздействия на них пыли при работе механизма. Known optical and infrared sensors (rangefinders), which are not used due to exposure to dust during operation of the mechanism.

Наиболее близким аналогом являются широко известные допплеровские радиолокаторы - самолетные ДИСС, вертолетные ДИВ, автомобильные милицейские радары (известны антирадары к ним) типа "Фара", "Барьер-2" и другие. The closest analogue is the well-known Doppler radars - aircraft DISS, helicopter divisors, car police radars (known to them radars) such as "Headlight", "Barrier-2" and others.

Очевидна "классическая" обобщенная структурная схема таких радаров, содержащая приемопередающий блок с антенной (антеннами), устройство обработки допплеровских сигналов, выходной (измерительный) блок. Информация о скорости подается на автопилот, индикатор и т.п. The “classic” generalized structural diagram of such radars is obvious, containing a transceiver unit with an antenna (s), a Doppler signal processing device, and an output (measuring) block. Speed information is fed to the autopilot, indicator, etc.

Использование известных радаров вместо УКС нецелесообразно ввиду их сложности и высокой стоимости по сравнению с УКС, существенно большими токами и напряжениями, чем допускает стандарт по искро- и взрывобезопасности, существенно отличными пределами измерений, что требует при состыковке с параметрами УКС иных технических решений. The use of well-known radars instead of UKS is impractical due to their complexity and high cost compared to UKS, significantly higher currents and voltages than the standard for spark and explosion safety allows, significantly different measurement limits, which requires different technical solutions when docking with UKS parameters.

Задачей, которую решает предлагаемое устройство, является возможность дистанционного (бесконтактного) измерения и контроля скорости объектов (ленточные и другие конвейеры, механические узлы) на малых расстояниях от единиц сантиметров до нескольких метров при обеспечении допустимых по стандартам безопасности электрических параметров. Изобретение позволяет исключить механические узлы для съема момента движения на ленточных конвейерах и других объектах, вынести устройство из зоны перемещения продукта, т.е. изолировать от взрывоопасной среды, существенно упростить монтаж и исключить затраты на обслуживание. The task that the proposed device solves is the ability to remotely (non-contact) measure and control the speed of objects (tape and other conveyors, mechanical components) at small distances from units of centimeters to several meters while ensuring electrical parameters acceptable by safety standards. The invention eliminates the mechanical components for removing the moment of movement on conveyor belts and other objects, remove the device from the product movement zone, i.e. isolate from explosive atmospheres, significantly simplify installation and eliminate maintenance costs.

В состав предлагаемого устройства входят радарный датчик скорости, содержащий радиопрозрачную пластину, боковые стенки, приемопередающий интегральный модуль с микрополосковыми антеннами (МПА), последовательно соединенные усилитель-дифференциатор, широкодиапазонный следящий фильтр, нуль-компаратор, преобразователь частота - напряжение, устройство сравнения, выходной блок. The structure of the proposed device includes a radar speed sensor containing a radio-transparent plate, side walls, a transceiver integrated module with microstrip antennas (MPA), serially connected amplifier-differentiator, a wide-range tracking filter, a zero-comparator, a frequency-voltage converter, a comparison device, an output unit .

В качестве ближайшего аналога радиолокационного устройства контроля скорости ленточных конвейеров и движущихся или вращающихся узлов механизмов выбрано устройство, описанное в книге Колчинского В.Е. и др. "Допплеровские устройства и системы навигации" (Москва, Советское радио, 1975, стр. 360, 23, 237. 239), содержащее устройство обработки сигналов (в виде электронного блока), включающее следящий фильтр и нуль-компаратор (счетчик нулей в терминах источника), а также преобразователь частота - напряжение. As the closest analogue of the radar device for controlling the speed of belt conveyors and moving or rotating parts of mechanisms, the device described in the book by V.E. Kolchinsky was selected and other "Doppler devices and navigation systems" (Moscow, Sovetskoe Radio, 1975, p. 360, 23, 237. 239), containing a signal processing device (in the form of an electronic unit), including a tracking filter and a null comparator (zero counter in terms of source), as well as a frequency-voltage converter.

Радиопрозрачная пластина изолирует устройство от взрывоопасной зоны, в которую перемещается продукт, боковые стенки, как и в случае апертурных антенн, сужают суммарную диаграмму направленности МПА, что улучшает соотношение полезный сигнал/помеха. Применение МПА позволяет приблизить устройство на расстояние нескольких длин волн до движущейся цели, кроме того существенно снижаются габариты (обеспечивается компактность устройства). Приемопередающий интегральный модуль имеет допустимые по искробезопасности ток и напряжение. Усилитель-дифференциатор повышает устойчивость работы широкодиапазонного следящего фильтра, который в свою очередь обеспечивает работу устройства в широком диапазоне скорости движущихся объектов. A radiolucent plate isolates the device from the explosive zone into which the product moves, the side walls, as in the case of aperture antennas, narrow the total radiation pattern of the MPA, which improves the useful signal / noise ratio. The use of MPA allows you to bring the device closer to a distance of several wavelengths to a moving target, in addition, the dimensions are significantly reduced (the compactness of the device is ensured). The transceiver integrated module has an intrinsically safe current and voltage. The amplifier-differentiator increases the stability of the wide-range follow-up filter, which in turn ensures the operation of the device in a wide range of speed of moving objects.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - блок-схема широкодиапазонного следящего фильтра. In FIG. 1 presents a block diagram of the proposed device; figure 2 is a block diagram of a wide-range follow-up filter.

Датчик скорости (фиг.1) включает радиопрозрачную пластину 1, приемопередающий интегральный модуль с микрополосковыми антеннами 2, боковые стенки 3. Сигнал с модуля поступает на усилитель-дифференциатор 4 и далее на последовательно соединенные следящий фильтр 5, нуль-компаратор 6, преобразователь частота-напряжение 7, устройство сравнения 8, выходной блок 9. The speed sensor (figure 1) includes a radio-transparent plate 1, a transceiver integrated module with microstrip antennas 2, side walls 3. The signal from the module is fed to an amplifier-differentiator 4 and then to a serially connected servo filter 5, a zero-comparator 6, and a frequency converter voltage 7, comparison device 8, output unit 9.

Приемопередающий интегральный модуль (ППМ) с МПА в случае монтажа над ленточным конвейером устанавливается под некоторым углом так, чтобы принять сигнал радиальной скорости движения ленты. Угол наклона ППМ составляет примерно 40 - 60^o и выбирается с учетом шероховатости ленты. Очевидно, что лента является слабым отражателем и ее колебания в поперечном направлении дают большую амплитуду в снимаемом с ППМ сигнале, чем сигнал от радиальной составляющей движения ленты. Усилитель-дифференциатор 4 взвешивает отраженный сигнал и ослабляет сигнал поперечной составляющей движения ленты так, чтобы обеспечить устойчивый захват полезного сигнала следящим фильтром 5. Очищенный сигнал скорости нормализуется нуль-компаратором 6 и подается на преобразователь частота-напряжение 7.The transceiver integrated module (PPM) with MPA in the case of installation above the conveyor belt is installed at a certain angle so as to receive a signal of the radial speed of the belt. The inclination angle of the PPM is approximately 40 - 60 ^o and is selected taking into account the roughness of the tape. It is obvious that the tape is a weak reflector and its vibrations in the transverse direction give a greater amplitude in the signal recorded with the PMD than the signal from the radial component of the tape movement. The amplifier-differentiator 4 weighs the reflected signal and attenuates the signal of the transverse component of the tape movement so as to ensure a stable capture of the useful signal by the follow-up filter 5. The purified speed signal is normalized by the zero-comparator 6 and fed to the frequency-voltage converter 7.

Устройство сравнения 8 работает в заданной зоне (например в УКС это 25% номинальной скорости ленточного конвейера) и в случае превышения (понижения) напряжения от заданного интервала на выходной блок 9 поступает сигнал выхода скорости объекта из заданной зоны. В выходном блоке 9 формируется определенная задержка, например 5 с, после чего блок 9 дает команду на выключение объекта. Comparison device 8 operates in a given zone (for example, in a UKS this is 25% of the nominal speed of the conveyor belt) and if the voltage is exceeded (lowered) from a given interval, an output signal of the object speed from a given zone is sent to output block 9. In the output unit 9, a certain delay is formed, for example, 5 s, after which block 9 gives a command to turn off the object.

Введение широкодиапазонного следящего фильтра 5 в предлагаемом устройстве можно обосновать тем, что контролируемые скорости объектов могут различаться на порядок и более. Поэтому следящий фильтр 5 позволяет монтировать устройство над разными объектами с различной скоростью без дополнительной регулировки. Очевидно также, что следящий фильтр плавно отслеживает сигнал контролируемой скорости и повышает устойчивость работы устройства при выдаче команды "Стоп". The introduction of a wide-range follow-up filter 5 in the proposed device can be justified by the fact that the controlled speed of objects can vary by an order of magnitude or more. Therefore, the tracking filter 5 allows you to mount the device on different objects with different speeds without additional adjustment. It is also obvious that the servo filter smoothly monitors the signal of controlled speed and increases the stability of the device when issuing the "Stop" command.

На фиг. 2 представлен действующий вариант широкодиапазонного следящего фильтра, на который подана дополнительная заявка на изобретение (основная заявка N 94023456 от 08.07.94 г.). Перестраиваемый полосовой фильтр 5-1 управляется интегратором 5-2, на который поступает сигнал рассогласования от фазового коммутатора 5-2. Фазовый коммутатор 5-2 подключен одним входом к входу следящего фильтра и переключается выходным сигналом перестраиваемого полосового фильтра в моменты прохождения сигнала через экстремальные значения. Для этого используется формирователь экстремум-переходов 5-4. В качестве формирователя экстремум-переходов можно использовать дифференциатор 5-5 и нуль-компаратор 5-6 (показаны пунктиром). Предложенный вариант следящего фильтра может иметь диапазон перестройки до двух октав (сто раз). In FIG. Figure 2 shows the current version of the wide-range follow-up filter, for which an additional application for the invention has been filed (main application N 94023456 of July 8, 1994). The tunable band-pass filter 5-1 is controlled by an integrator 5-2, to which an error signal is received from the phase switch 5-2. Phase switch 5-2 is connected by one input to the input of the tracking filter and is switched by the output signal of the tunable band-pass filter at the moments when the signal passes through extreme values. For this, the extremum transition shaper 5-4 is used. As a shaper of extreme transitions, you can use a differentiator 5-5 and a null comparator 5-6 (shown by a dotted line). The proposed version of the tracking filter may have a tuning range of up to two octaves (one hundred times).

Изготовлен действующий макет радиолокационного устройства контроля скорости, который включен на время испытаний в основную цепь работы оборудования ленточного вертикального конвейера (нории). Готовится аттестация опытных образцов устройств по искро- и взрывобезопасности. Оценена примерная потребительская стоимость устройства, которая в 5 - 10 раз меньше, чем стоимость ремонта силового агрегата, вышедшего из строя при аварии. A working prototype of a radar speed control device has been made, which is included in the main circuit of the equipment of the vertical belt conveyor (elevator) for the duration of the tests. Certification of prototypes of devices for spark and explosion safety is being prepared. Estimated is the estimated consumer value of the device, which is 5-10 times less than the cost of repairing a power unit that failed in an accident.

Авторы не имеют сведений об использовании устройств, подобных предлагаемому, на действующих производствах. The authors do not have information about the use of devices similar to the proposed, in existing industries.

Claims (1)

Радиолокационное устройство контроля скорости ленточных конвейеров и движущихся или вращающихся узлов механизмов, содержащее датчик скорости, связанный с устройством обработки сигнала, выполненного в виде последовательно соединенных следящего фильтра, нуль-компаратора, преобразователя частота-напряжение, отличающееся тем, что датчик скорости содержит микрополосковые антенны, радиопрозрачную пластину, изолирующую устройство от взрывоопасной зоны, боковые стенки для сужения суммарной диаграммы направленности микрополосковых антенн, а также введен усилитель-дифференциатор, подключенный по входу к датчику скорости, а по выходу - к входу следящего фильтра, причем выход преобразователя частота-напряжение подключен к введенному устройству сравнения, выход которого связан с выходным блоком, формирующим команду на выключение ленточных конвейеров или механизмов. A radar device for controlling the speed of conveyor belts and moving or rotating nodes of mechanisms, comprising a speed sensor associated with a signal processing device made in the form of a serially connected servo filter, a null comparator, a frequency-voltage converter, characterized in that the speed sensor contains microstrip antennas, radiolucent plate isolating the device from the hazardous area, side walls to narrow the total radiation pattern of microstrip antes n, as well as an amplifier-differentiator, connected at the input to the speed sensor, and at the output to the input of the servo filter, and the output of the frequency-voltage converter is connected to the input comparison device, the output of which is connected to the output unit that forms the command to turn off the conveyors or mechanisms.

Images