|
DOI: 10.14489/hb.2026.05.pp.073-084
Четвериков Б. С., Катаржнов Д. В., Романович А. А., Любимый Н. С.
РАЗРАБОТКА МЕТОДА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ВАЛА
(с. 73-84)
Аннотация. Предложен новый метод автоматизированного бесконтактного определения углового положения и частоты вращения вала, ориентированный на применение в тяжелых промышленных условиях – в частности, в подъемно-транспортных, строительных и дорожных машинах. Метод основан на использовании трибоэлектрической метки из политетрафторэтилена, наносимой на металлический вал, и пары электростатических датчиков, регистрирующих индуцированный заряд при прохождении метки. Для повышения надежности и расширения диапазона измерений (от 30 до 3000 мин–1) применяется комбинированный алгоритм обработки сигналов: при высоких оборотах используется автокорреляция, при низких – взаимная корреляция между сигналами двух электродов. Экспериментальные исследования подтвердили точность измерений на уровне ±0,12 % в диапазоне 120…3000 мин–1 и ±3,4 % при 30…120 мин–1. Предложенное решение отличается высокой устойчивостью к вибрациям, пыли и влажности, низкой стоимостью и минимальными требованиями к модификации вала, что делает его конкурентоспособной альтернативой оптическим и магнитным датчикам.
Ключевые слова: автоматизированный контроль; вал; трибоэлектрическая метка; угловое положение; надежность.
Chetverikov B. S., Katarzhnov D. V., Romanovich A. A., Lyubimy N. S.
DEVELOPMENT OF A METHOD FOR AUTOMATED CONTACTLESS DETERMINATION OF THE ANGULAR POSITION OF A SHAFT
(pp. 73-84)
Abstract. This article proposes a new method for automated, contactless determination of shaft angular position and rotational speed. This method is designed for use in heavy-duty industrial environments, particularly in material handling, construction, and road-building machinery. The method utilizes a triboelectric polytetrafluoroethylene tag applied to a metal shaft and a pair of electrostatic sensors that record the induced charge as the tag passes. A combined signal processing algorithm is employed to improve reliability and expand the measurement range (from 30 to 3000 rpm): autocorrelation is used at high speeds, while cross-correlation between the signals from the two electrodes is used at low speeds. Research have confirmed measurement accuracy of ±0.12 % in the range of 120…3000 rpm and ±3.4 % at 30…120 rpm. The proposed solution features high resistance to vibration, dust, and humidity, low cost, and minimal shaft modification requirements, making it a competitive alternative to optical and magnetic sensors.
Keywords: Automated control; Shaft; Triboelectric tag; Angular position; Reliability.
Б. С. Четвериков, Д. В. Катаржнов, А. А. Романович, Н. С. Любимый (Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, Белгород, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
B. S. Chetverikov, D. V. Katarzhnov, A. A. Romanovich, N. S. Lyubimy (Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov, Belgorod, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
1. Драпезо А. П., Буслов И. В., Бауткин В. В., Адашкевич В. И. Применение датчиков частоты вращения для обеспечения режимов работы и эксплуатационной безопасности роторов // Приборы и системы. 2013. № 3. С. 40 – 43.
2. Зиле А. З., Черномзав И. З. Влияние колебаний валопровода турбоагрегата на точность измерения частоты вращения // Электрические станции. 2021. № 8(1081). С. 41 – 47.
3. Косвенное измерение частоты вращения ротора асинхронного двигателя / А. Д. Семенов, С. В. Волков, С. Г. Исаев и др. // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2022. № 4(42). С. 64 – 70.
4. Liu X., Yan Y., Hu Y., Wang L. Optimization of Electrostatic Sensors for Rotational Speed Measurement of a Metallic Rotor // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2023. V. 72. Art. No. 1570872822. DOI: 10.1109/TIM.2023.3342240
5. Cheng P., Mustafa M. S. M., Oelmann B. Contactless rotor RPM Measurement Using Laser-Mouse Sensors // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2012. V. 61, No. 3. P. 740 – 748. DOI: 10.1109/TIM.2011.2169612
6. Yan Y., Wang L. Mathematical Modelling and Experimental Validation of Electrostatic Sensors for Rotational Speed Measurement // Measurement Science and Technology. 2014. V. 25, No. 11. Art. No. 115101. DOI: 10.1088/0957-0233/25/11/115101
7. Wang L., Yan Y., Hu Y., Qian X. Rotational Speed Measurement Using Single and Double Electrostatic Sensors // IEEE Sensors Journal. 2015. V. 15, No. 3. P. 1784 – 1793. DOI: 10.1109/JSEN.2014.2365515
8. Reda K., Yan Y., Wang L. A Comparative Study of Different Shaped Electrostatic Sensors for Rotational Speed Measurement // Proc. IEEE SENSORS 2017, Glasgow, UK. 2017.
9. Reda K., Yan Y. Vibration Measurement of an Unbalanced Metallic Shaft Using Electrostatic Sensors // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2019. V. 68, No. 5. P. 1467 – 1476. DOI: 10.1109/TIM.2018.2870453
10. Wang L., Yan Y., Qian X. Online Monitoring of Belt Speed Using Electrostatic Sensors // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2017. V. 64, No. 9. P. 7313 – 7322. DOI: 10.1109/TIE.2017.2696507.
11. Mustafa M. S. M., Cheng P. Comparative Analysis of Embedded RPM Sensors for Mobile Machinery // Journal of Field Robotics. 2013. V. 30, No. 5. P. 789 – 801. DOI: 10.1002/rob.21465
12. Pieniążek J., Ryba P. Inductive Sensor for Tachometer // Transactions of Aerospace Research. 2017. No. 2. P. 57 – 68.
13. Bakibillah A., Uddin M., Haque S. Design, Implementation and Performance Analysis of a Low-Cost Optical Tachometer // IIUC Studies. 2010. V. 7. P. 107 – 116.
1. Drapeso, A. P., Buslov, I. V., Bautkin, V. V., & Adashkevich, V. I. (2013). Application of rotation speed sensors to ensure operating conditions and operational safety of rotors. Pribory i sistemy, (3), 40–43. [in Russian language].
2. Zile, A. Z., & Chernomzav, I. Z. (2021). Influence of turbo unit shafting vibrations on the accuracy of rotation speed measurement. Elektricheskie stantsii, (8), 41–47. [in Russian language].
3. Semenov, A. D., Volkov, S. V., Isaev, S. G., et al. (2022). Indirect measurement of induction motor rotor speed. Izmerenie. Monitoring. Upravlenie. Kontrol, (4), 64–70. [in Russian language].
4. Liu, X., Yan, Y., Hu, Y., & Wang, L. (2023). Optimization of electrostatic sensors for rotational speed measurement of a metallic rotor. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 72, Article 1570872822. https://doi.org/10.1109/TIM.2023.3342240
5. Cheng, P., Mustafa, M. S. M., & Oelmann, B. (2012). Contactless rotor RPM measurement using laser mouse sensors. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 61(3), 740–748. https://doi.org/10.1109/TIM.2011.2169612
6. Yan, Y., & Wang, L. (2014). Mathematical modelling and experimental validation of electrostatic sensors for rotational speed measurement. Measurement Science and Technology, 25(11), Article 115101. https://doi.org/10.1088/0957-0233/25/11/115101
7. Wang, L., Yan, Y., Hu, Y., & Qian, X. (2015). Rotational speed measurement using single and double electrostatic sensors. IEEE Sensors Journal, 15(3), 1784–1793. https://doi.org/10.1109/JSEN.2014.2365515
8. Reda, K., & Yan, Y. (2017). A comparative study of different shaped electrostatic sensors for rotational speed measurement. In Proc. IEEE SENSORS 2017 (Glasgow, UK).
9. Reda, K., & Yan, Y. (2019). Vibration measurement of an unbalanced metallic shaft using electrostatic sensors. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 68(5), 1467–1476. https://doi.org/10.1109/TIM.2018.2870453
10. Wang, L., Yan, Y., & Qian, X. (2017). Online monitoring of belt speed using electrostatic sensors. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 64(9), 7313–7322. https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2696507
11. Mustafa, M. S. M., & Cheng, P. (2013). Comparative analysis of embedded RPM sensors for mobile machinery. Journal of Field Robotics, 30(5), 789–801. https://doi.org/10.1002/rob.21465
12. Pieniążek, J., & Ryba, P. (2017). Inductive sensor for tachometer. Transactions of Aerospace Research, (2), 57–68.
13. Bakibillah, A., Uddin, M., & Haque, S. (2010). Design, implementation and performance analysis of a low cost optical tachometer. IIUC Studies, 7, 107–116.
|
Архив номеров
Разработка концепции и создание сайта - ООО «Издательский дом «СПЕКТР»