Измеритель скорости. Виды и работа. Применение и особенности
Измеритель скорости является востребованным прибором, который используется для различных целей. Он измеряет скорость движения объектов и веществ в километрах в час или метрах в секунду.
Виды измерителей скорости
Измеритель скорости очень точное оборудование, которое используется практически повсеместно в различных отраслях промышленности и бытовой жизни. Его конструкция многократно модернизировалась под определенные цели.
Существуют следующие разновидности измерителей скорости:
- Спидометр.
- Радар.
- Анемометр.
- Хронограф.
- Измеритель газового потока.
- Скоростемер для воды.
Спидометр
Спидометр – это прибор для измерения скорости колесных транспортных средств. Он устанавливается на панель приборов автомобилей, сельхозтехники, спецтехники и поездов. Он бывает механическим, электронным и электромеханическим.
Механическое устройство оснащается тросом, который выполняет роль привода. Трос подсоединяется к коробке передач или напрямую к оси колеса. Один его оборот соответствует обороту колеса и соответственно прохождению определенной дистанции. Специальный механизм с шестеренками оперативно проводит расчет соответствия пройденной дистанции за определенный промежуток времени к скорости в километрах в час. Подобное оборудование оснащается цифровой шкалой и стрелкой, которая указывает на достигнутую скорость. Механические спидометры используются и сейчас. Их главный недостаток заключается в периодическом износе троса, который необходимо менять. Помимо текущего показания скорости механические модели имеют встроенный в корпусе циферблат, показывающий пробег транспорта с момента начала его эксплуатации.
Электронные спидометры оснащаются датчиками, передающими информацию в электронном виде на циферблат на панели приборов. Она отображается как светящиеся цифры. Отсутствие стрелок позволяет проводить более комфортную визуальную оценку показателей скорости движения.
Электромеханические спидометры являются гибридом двух типов. В них снятие показателей осуществляется электрическим датчиком, но вывод данных о развиваемом темпе движения проводится с помощью стрелки.
Радар
Радар – это прибор предназначенный для измерения скорости движущегося объекта без физического контакта с ним. Обычно такое оборудование применяется правоохранительными органами, а также спортивными судьями. Принцип действия прибора заключается в том, что он создает радиосигнал, который направляется на движущийся объект. После при достижении волны к автомобилю или другому объекту, волна отражается и возвращается на чувствительный элемент устройства. По характеристикам отражаемой волны прибор вычисляет скорость, с которой двигался объект. Существует также устройство, где вместо радиосигнала направляется луч лазера. Выдаваемая на циферблате скорость выражается в километрах за час.
Данное оборудование является не идеальным и дает небольшую погрешность, которая указывается производителем. Радары отличаются между собой не только по классу точности, но и дистанции измерения. Все зависит от мощности излучателя и чувствительного элемента, который принимает отраженные сигналы.
Современные радары существенно отличаются от первых устройств этого класса. Дело в том, что в связи с наличием штрафов за превышение скорости, для защиты от подобных неприятностей началось производство так называемых антирадаров. Данные оборудования позволяют глушить радиосигналы и сбивать показатели, которые выдает радар. В связи с этим полицейские измерители скорости начали оснащаться системой шифрования с особой технологией отправки импульсов и их восприятия. Нельзя сказать, что это дает стопроцентную гарантию от погрешности, но по крайней мере позволяет игнорировать глушение от большинства приборов подавляющих сигналы.
Анемометр
Анемометр – это измеритель скорости передвижения воздушных и газовых потоков. Принцип его действия заключается в наличии лопастей подобных тем, что используются в вентиляторах или в авиации. При прохождении ветра сквозь диффузор анемометра лопасти начинают проворачиваться. Специальный механизм измеряет частоту вращения и определяет скорость движения потока в километрах в час или метрах в секунду. Такое оборудование обычно используется метеорологами для расчетов изменения погоды. По характеристикам движения ветра определяется через сколько времени циклон достигнет определенной местности.
В бытовой жизни анемометры нашли свое применение в авиации. Они устанавливаются на аэродромах для определения параметров силы ветра с целью корректировки диспетчерами пилотов при посадке самолетов. Анемометрами пользуются военные снайперы для корректировки направления полета пули. С помощью специальных таблиц определяется угол сноса пули ветром при полете. Чем слабее воздушный поток, тем по более ровной траектории нужно выпускать пулю. Данный показатель является важным при стрельбе на длинные дистанции.
Анемометры используются в вентиляционных системах. С их помощью проводится регулировка вентиляторов для точной настройки вентилирования без создания сквозняков. Вывод показателей скорости осуществляется с помощью стрелки как в обычных спидометрах для автомобиля или на циферблат, если прибор является электронным или электромеханическим.
Подобное оборудование не всегда имеет механический привод. Существуют также анемометры с теплочувствительным элементом, который начинает деформироваться при остывании. При движении воздушного потока чувствительный элемент обдувается, и его температура снижается. При этом оборудованием проводятся сложные расчеты, в результате которых выводятся точные показатели скорости ветра с поправкой на температуру самого воздуха. Одними из последних изобретений стали ультразвуковые анемометры, которые анализируют растворение звука посылаемого против движения воздушных масс.
Хронограф
Хронограф – это универсальное оборудование, которое используется для различных целей. Одним из способов его применения является измерение скорости движения пули выпущенной из пневматического или огнестрельного оружия. Главные особенности таких устройств в том, что они дают точные показатели скорости движения мелких объектов. Такой измеритель скорости даст возможность снять показатели о характеристиках движения стрелы выпущенной из лука, болта из арбалета или камушка из рогатки.
Хронограф снимает характеристики о полете пули или другого мелкого объекта в метрах за секунду. Также отдельные модели могут иметь возможность переключения показателей на километры в час. Хронографы имеют сложную конструкцию и являются очень чувствительными. Те приборы, которые применяются для измерения скорости движения пуль и прочих боеприпасов выполняются в двух вариантах – дульном и рамочном.
Дульный хронограф устанавливается на дуло пневматического или огнестрельного оружия. С его помощью удастся определить начальную скорость вылета пули. По этому показателю можно судить о мощности оружия и его пробиваемой силе на определенном расстоянии. Чтобы подключить хронограф к дулу оружия требуется наличие специального переходника. Для разных типов оружия переходник отличается, но сам измеритель скорости пули может использоваться практически всегда. Хронографы, которые применяются для пневматического оружия, имеют диапазон измерения до 350-400 м/с. Оборудование для огнестрельного оружия имеют значительно больший диапазон чувствительности.
Рамочный хронограф является более универсальным. Он выполнен в виде рамки, в которую нужно прицелиться, чтобы пуля пролетела между стенками. С помощью такого хронографа можно измерить скорость движения практически любого мелкого объекта. Это может быть стрела и даже брошенный рукою камень. Подобное оборудование более габаритное, но благодаря универсальности пользуется большой популярностью.
Измеритель скорости газового потока
Также существуют измерители скорости для газовых и воздушных потоков, которые двигаются внутри труб. Данные устройства фиксируются на трубопроводах и оснащаются крыльчаткой, которая проворачивается при контакте со средой. Подобное оборудование имеет много общего со счетчиками газа, но в отличие от них оно показывает не какой объем был пропущен всего, а позволяет рассчитать, сколько газа при такой интенсивности перекачки можно провести за определенный промежуток времени. Подобное оборудование выдает показатели не только в метрах за секунду, но и в объеме. Это могут быть литры или кубические метры.
Интенсивность давления на крыльчатку в различных газах отличается. В связи с этим оборудование калибруется производителем под среду, с которой будет работать. Таким образом, если измеритель скорости рассчитан для природного газа, он не будет давать точные показатели в случае работы с углекислотой. Помимо оборудования для веществ в жидком состоянии, существуют и измерители для газообразной среды, такой как воздух и даже пар.
Скоростемер для воды
Измеритель скорости воды имеет подобную конструкцию, что и для газовой среды. Его используют в исключительных случаях, когда нужно узнать скорость движения водяного потока, а не объем прокачки. Данный показатель является важным при тестировании оборудования для пожаротушения, водяных пушек и в прочих целях. Такой скоростемер представляет собой вытянутую трубку, которая подсоединяется к гибкому шлангу или трубопроводу. Кроме устройств с вращающейся крыльчаткой, снятие показателей может осуществляться лазером или ультразвуковыми волнами.
Источник
Бесконтактные лазерные и оптические датчики скорости и пути
Бесконтактный принцип измерения скорости достаточно прост. «Простейший» прибор – глаз. Каждый, глянув в окно вагона или автомобиля, может оценить скорость движения по пробегающему мимо пейзажу. «Обработка» сигнала при этом происходит в мозгу – оценка расстояния до какого-либо объекта, его угловая скорость, плюс жизненный опыт. То же, с гораздо более высокой точностью, можно измерить на приборном уровне.
Рассмотрим сначала лазерный датчик, как наиболее простой. Итак, есть движущийся объект, осветитель этого объекта (иначе ничего не увидим) и регистрирующая отраженный сигнал оптическая система. Это может быть просто линза и фотодетектор (ФД).
Объект неоднороден по яркости и шероховатости, поэтому при движении, ФД будет регистрировать сигнал, частота которого пропорциональна скорости. Характерное значение этой частоты определяется линейным размером области регистрации ФД и временем пересечения этой области элементом объекта. В принципе, задача решена, но очень неточно. Это так называемый низкочастотный сигнал. Для увеличения точности измерений необходимо сузить спектр частот, генерируемый движущимся объектом. И для этого есть радикальное средство – пространственный фильтр. Это термин из области оптических растровых датчиков.
В случае лазерных датчиков – это просто создание интерференционной картины, т.е. периодической модуляции освещенности объекта в пределах лазерного пучка (это область детектирования). Это возможно благодаря свойству когерентности лазерного излучения – все фотоны в пучке сфазированы. Достаточно разделить исходный пучок на два пучка, и свести их под углом к другу. Это и есть в данном случае пространственный фильтр. Теперь любой перепад профиля или яркости объекта, пересекающий эту периодическую структуру, даст отраженный сигнал, интенсивность которого промодулирована с частотой «период освещенности» – «скорость его пересечения».
При этом, чем больше число созданных периодов – тем уже спектр сигнала – единичный перепад профиля или яркости объекта будет генерировать не один импульс, а множество (цуг) импульсов, число которых определяется количеством периодов интерференционной картины. На практике – например, при диаметре пучка на объекте 5 мм и периоде интерференции 0,05 мм – получаем 100 штрихов интенсивности, соответственно, цугов сигнала, т.е. спектр сузился примерно в 100 раз по сравнению с вышеописанным низкочастотным сигналом (который теперь малоинформативный, более того, мешает и так и называется – паразитный). Отметим, что достаточно 20 – 30 штрихов для достижения точности измерений лучше 0,1%.
В случае оптических датчиков – объект освещается однородным источником (просто лампочка или светодиод) – а периодическая структура (растр) находится внутри датчика. При этом он получается гораздо более защищенным (это как в спорте – санки и бобслей) – но возникает множество проблем, основная из которых – зависимость частотного отклика ( коэффициент пропорциональности между частотой регистрируемого сигнала и скоростью объекта в Гц/(м/с)) от расстояния до объекта. Забегая вперед, отметим, что сейчас эта проблема решена кардинально.
Подробный обзор по лазерным и оптическим датчикам скорости (способы создания пространственных фильтров, методы обработки сигналов…) можно найти в монографии [1]. На двух сотнях страниц описана вся теория. Только не сказано, как же на этой основе сделать работающий в реальных суровых условиях (температурный диапазон, различные поверхности и изменения расстояний до них в процессе измерений) датчик.
Производителей реальных бесконтактных датчиков в мире не так много – порядка десятка фирм выпускают лазерные датчики, еще меньше – оптические. В данной статье рассмотрим подробнее датчики обоих типов, производимые российской фирмой ООО «ПТП«Сенсорика-М».
Поскольку она недавно вышла на этот рынок, при создании датчиков использовались самые последние достижения, как в области «железа», так и в математических алгоритмах обработки сигнала плюс оригинальные технические решения, созданные совместно со специалистами Института общей физики РАН. Например, оригинальный оптический моноблок для лазерного датчика, основанный на принципе деления пучка по волновому фронту обеспечивает стабильную интерференционную картину, нечувствительную к изменениям температуры, с нулевой разностью хода пучков, что обеспечивает максимальный контраст штрихов в большом диапазоне расстояний до объекта. При этом отсутствуют какие-либо юстировки оптического блока. Оптическая схема приемной растровой системы оптического датчика полностью устраняет зависимость измеренной скорости от расстояния до объекта при сохранении высокой светосилы оптики. На данное техническое решение получены патенты России и Германии [2] .
В приемной аналоговой электронике и в части аппаратной обработки сигнала также используются самые современные микросхемы и микроконтроллеры с сигнальными процессорами, что позволяет измерять скорость с высокой частотой и реализовывать различные выходные сигналы – аналоговые, частотные, цифровые. Выпускается широкая линейка датчиков обоих типов, с номинальными расстояниями до объекта от 15 до 130 см и диапазоном измеряемых скоростей от 0,01 до 100 м/с для самых различных применений в промышленности и на транспорте (подробнее можно посмотреть на сайте компании). В 2014 г. лазерный датчик внесен в Госреестр СИ (средств измерений), оптический датчик будет внесен в Госреестр в 2015г.
Отметим, что оба типа датчиков измеряют пройденный путь (длину, которая обычно и требуется на практике) по измеренной скорости (интеграл скорости по времени). При этом техническая точность измерений (возможности датчика в смысле повторяемости измерений) уже достигла своего практического предела и превышает обычные потребности практики. Например, в технических данных приводится точность измерений длины Далее приведем несколько примеров применения датчиков с оценкой точности и повторяемости измерений .
Высота установки датчика – примерно 50 см (допустимо от 35 до 65 см). Частота измерений: 54,2 Гц, пределы измерения скорости: 0,02 – 110 Км/ч. Проезд по замкнутой траектории длиной около 1 Км (в условиях города, день, солнечно, температура -7 ˚С). Движение с переменной скоростью (0-50 Км/ч), с несколькими остановками. Результаты измеренного пути по трем заездам: 1055,740 м, 1056,244 и 1055,33 м, т.е. повторяемость измерений составила В статье приводится краткий обзор принципов измерения скорости и пройденного пути (длины) бесконтактными лазерными и оптическими датчиками и демонстрируются технические параметры этих приборов на примере продукции российского предприятия ООО «ПТП«Сенсорика-М».
Рис. 1. Оптический датчик ИСД‑3 и лазерный ИСД‑5, закрепленные на автомобиле во время тестовых заездов.
Номинальная высота оптического датчика ИСД-3 – 50 см, лазерного датчика ИСД-5 -130 см, но установлен он на высоте 100 см. На прямом участке асфальтовой дороги проведено 4 заезда (по 2 в каждую сторону) примерно одинаковой длины и сравнивалась относительная разность показаний датчиков. Результаты представлены в Таблице.
Табл.1. Результаты параллельного измерения одного и того же пути обоими датчиками.
| Номер заезда | |||
| 1 | 1345,68 | 1345,01 | — 0,05 |
| 2 | 1394,01 | 1395,08 | 0,07 |
| 3 | 1382,51 | 1382,73 | 0,016 |
| 4 | 1345,14 | 1343,06 | -0,15 |
| Средняя относительная разница | 0,03 ± 0,1 % | ||
Таким образом, реальное качество измерений обоих датчиков в дорожных применениях одинаково и относительная повторяемость измерений составляет сотые доли процента. При этом отметим, что вообще для дорожных применений предпочтительно использовать оптический датчик, поскольку он значительно более устойчив к внешним неблагоприятным условиям, как это упоминалось выше (температура, снег, дождь…), в частности, он малочувствителен к загрязнениям входной оптики – это как фотоаппарат – объектив может быть совсем грязным, но фотографировать, в принципе, не мешает. В то же время попадание, например, капли воды на выходную оптику лазерного датчика может сильно исказить интерференционную картину на объекте.
Для общего представления качества измерений на рис.2 представлен график скорости разгона – торможения локомотива с товарным составом ( Щербинский ЖД полигон, датчик скорости и дистанции – ИСД-3, номинальное расстояние 80 см, устанавливался на днище локомотива и «смотрел» прямо на шпалы).
Рис. 2. График скорости разгона и торможения локомотива с товарным составом.
График позволяет оценить мгновенную точность измерений скорости, поскольку движение ЖД состава – пример максимальной плавности скорости. Также в качестве иллюстрации приводятся очень интересные и познавательные графики – тормозные испытания автомобильных шин на льду (ледовый каток «Арена» в Мытищах, использовался оптический датчик). На рис. 3а представлены результаты пяти заездов разгон – торможение на зимних не шипованных шинах, на рис 3б – то же самое на шипованных.
Рис. 3. Точность, с которой оптический датчик ИСД-3 измеряет скорость разгона и торможения автомобиля на льду: а – автомобиль на зимних не шипованных шинах; б – автомобиль на шипованных шинах.
Обратите внимание, что пички скорости – не шумы измерений, а совершенно реальны, именно так движется автомобиль на льду.
Данные датчики, конечно — же используются и в промышленности. Здесь приведем только один яркий демонстрационный пример: измерение длины стекла. Объект: вращающийся диск из полированного стекла с максимально чистой поверхностью. Измеритель – лазерный, с номинальным рабочим расстоянием 130 см (в реальности стекло горячее, поэтому требуются измерения с больших дистанций). На диске нанесена метка – начало и конец измерений окружности, которая считывалась датчиком. Длина измеряемой окружности — 2,173 м. Проведено две серии измерений по 7 и 11 измерений. Средняя измеренная длина составила 2,1732 и 2,1733 м при стандартном отклонении 0,034 и 0,036%.
Из последних разработок ООО «ПТП«Сенсорика-М» можно также упомянуть двумерные лазерные датчики, позволяющие, в частности, измерять поступательную скорость вращающейся на рольгангах трубы – актуальная задача на участках нанесения изоляции на трубопрокатных заводах (серийный вариант будет доступен во втором квартале 2015 г.). И уж совсем экзотика – измерение скорости подводных аппаратов относительно среды (экспериментальный образец демонстрировался на форуме «Морская индустрия России» [3]). И много другого. Из-за ограниченности объема статьи здесь можно только посоветовать посетить сайт производителя.
Таким образом, «наши» бесконтактные датчики пути – скорости ни в чем не уступают мировым аналогам, а зачастую и превосходят их. При этом стоят на данный момент в несколько раз дешевле.
С. Ф. Растопов, к. ф.-м. н., технический специалист,
ООО «ПТП«Сенсорика-М»., г. Москва,
тел.: (499) 753-3990, (499) 487-0363
Ссылки:
1. Y. Aizu T. Asakura, Spatial Filtering Velocimetry, Fundamentals and Applications, Springer Series in Optical Sciences (Book 116), 2005, 212р.
2. Патент РФ № 2482499 и Патент DE 11 2011 102 253 B4.
3. IV Международный форум «Морская индустрия России», выставочный комплекс «Гостиный двор», Москва, 20-22 мая 2014 г.
Источник