РАДИОВОЛНОВОЙ ТАХОМЕТР
В.ЩЕРБАТЮК, П.ШТУРБИН, г.Минск.
Если окинуть даже беглым взглядом окружающий нас мир, то окажется, что все вокруг движется. При более пристальном рассмотрении оказывается, что движение-то в основном вращательное! Практически нет ни одного механизма, в котором бы чего-нибудь не крутилось. Даже "самому простому" человеку, чтобы воспользоваться содержимым бутылки, надо сначала открутить пробку. Но бывают места, куда не только совать руку, но и приближаться не очень-то хочется. Например, газотурбинный двигатель самолета или компрессор турбонаддува дизеля. А хотелось бы измерить частоту вращения деталей этих механизмов, причем, по возможности, находясь на почтительном расстоянии. Прибор, позволяющий это осуществить, появился лет двадцать назад и назывался "Радиоволновой тахометр" (РВТ). Принцип действия тахометра основан на эффекте модуляции электромагнитного излучения вращающимися объектами и выделении из спектра модуляции максимальной по амплитуде гармоники с последующим измерением ее частоты.
Рис.1
Типичные спектры модуляции при облучении различных объектов приведены на рис.1 и 2. На рис.1 изображен спектр модуляции при облучении вала двигателя. Максимальная составляющая спектра соответствует скорости вращения вала. На рис.2 изображен спектр модуляции при отражении излучения от четырехлопаточной структуры (вентилятора).
Рис.2
Здесь максимальная составляющая спектра соответствует четвертой гармонике частоты вращения вала. Широкого распространения РВТ не получил, так как стоил достаточно дорого. Он позволял измерять обороты чего-нибудь крутящегося, даже если "это крутящееся" находилось внутри какой-нибудь оболочки, и его вообще не было видно, а к нему вела какая-то даже не сильно ровная труба. Например, можно было измерять обороты турбины турбонаддува дизеля через всасывающий патрубок. Это удалось сделать, используя малогабаритный радиолокатор сантиметрового диапазона. Активный элемент СВЧ-генератора - диод Ганна. Чтобы СВЧ-излучение не вредило здоровью, мощность, излучаемая радиолокатором, была выбрана небольшой и составляла приблизительно 5...7 мВт. Это, конечно, ограничило радиус действия прибора приблизительно 10м, но зато он получился практически безопасным.
Рис.3
Использование СВЧ-генератора на диоде Ганна в автодинном режиме позволило отказаться от специального СВЧ-приемника и упростить схему. Генератор работает на частоте около 10 ГГц, то есть длина волны излучения составляет около 3 см. Конструкция первичного преобразователя имеет достаточно небольшие габариты и схематично изображена на рис.3. СВЧ-генератор размещен внутри корпуса первичного преобразователя и представляет собой заглушенный с одного конца отрезок волновода (рис.4). Диод размещен на расстоянии l/4 от задней стенки волновода.
Рис.4
Так как длина волны в волноводе отличается от длины волны в открытом пространстве, то l/4 в волноводе не будет составлять 3/4 см, как это было бы в открытом пространстве. Антенна формирует диаграмму направленности излучения. Чем больше размеры рупора антенны, тем более узкую диаграмму направленности она имеет. Изображенная на рис.3 антенна (рупор) излучает электромагнитные волны с линейной поляризацией. В большинстве случаев этого вполне достаточно. Волноводный резонатор служит одновременно и для отвода выделяемого диодом Ганна тепла, и является общим выводом питания диода. На рисунке не показаны винты, которые ввинчены в волновод для точной настройки на рабочую частоту. Структурная схема тахометра показана на рис.5.
Рис. 5
С выхода ДПКД сигнал поступает на электронный частотомер (Ч), который измеряет его частоту. Показания частотомера отображаются на индикаторном табло (ИТ). Блок питания (БП) служит для обеспечения прибора необходимыми напряжениями. При настройке системы ФАПЧ на максимальную составляющую спектра выходного сигнала срабатывает система ИЗ и загорается светодиод (индикатор настройки). В этом случае частота ОГ с точностью до фазы совпадает с частотой максимальной гармоники модулирующего сигнала. Частота ОГ с помощью ДПКД делится на число, соответствующее количеству неоднородностей на вращающемся объекте (например, лопаток на валу двигателя). Таким образом, частотомер измеряет частоту, соответствующую истинной скорости вращения объекта (вала двигателя). Для повышения точности измерения служит переключатель SA1, с помощью которого после ОГ включается делитель частоты на 10 (ДЧ). В этом случае при настроенной системе ФАПЧ частотомер будет измерять частоту ОГ, которая в 10 раз выше частоты измеряемого сигнала, что в 10 раз увеличивает точность измерения. В случае, когда спектр модулирующего сигнала содержит только одну спектральную составляющую, можно проводить измерение скорости вращения без использования систем ФАПЧ и ИЗ. Для этого служит переключатель SA2, которым системы ФАПЧ и ИЗ отключаются, а между УАРУ и частотомером включается формирователь (Ф), служащий для согласования выходного уровня УАРУ со входом частотомера. Первичный преобразователь. Активным элементом СВЧ-генератора является диод Ганна VD1 (рис.6), работающий в автодинном режиме и размещенный в прямоугольном волноводном резонаторе WA1 сечением 17х5 мм.
Рис.6
Генератор запитывается от +15 В через резисторы R1 и R2. Резистор R2 совместно с конденсатором С1 образует развязывающий фильтр. R1 является резистором нагрузки, с которого снимается промодулированный сигнал. Для подстройки частоты генератора СВЧ используется винт, расположенный на корпусе резонатора. Приемо-передающими антеннами является набор излучателей: - рупорная антенна с линейной поляризацией и апертурой 35х55; - рупорная антенна с круговой поляризацией и апертурой 51х93; - отрезок прямоугольного волновода сечением 23х10 мм и длиной 65 мм. Сечение антенны 23х10 мм выбрано исходя из условий согласования генератора с приемопередающим трактом на частоте 10675 МГц, которая была выделена комитетом частот и на которою настраивается СВЧ-генератор тахометра. Предварительный усилитель (ПУ) выполнен на операционном усилителе DA1 в неинвертирующем включении с коэффициентом усиления 100. Усилитель имеет полосу пропускания 0...20 кГц.
(Окончание следует)
РМ 11/2001, c.35-36