способ формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения

Формула изобретения

1. Способ формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, в котором измеряют и сравнивают вольт-секундные площади двух соседних одинаковых по полярности полуволн двухполярных сигналов индукционного датчика частоты вращения, причем сначала измеряют вольт-секундную площадь S₁ первой полуволны, запоминают ее максимальное значение S_1к, вырабатывают пороговое значение S_пор1=Q·S_1к, где Q<1, сравнивают S_1к с пороговым значением S _пр.min, равным предельной минимальной допустимой величине вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов, затем измеряют вольт-секундную площадь S₂ второй полуволны, в процессе измерения сравнивают получаемые величины S₂ с пороговым значением S_пор1 и при выполнении условий S_1к>S_пр.min, S₂>S _пор1 вырабатывают требуемый импульс, отличающийся тем, что в качестве первой измеряемой полуволны используют первую полуволну, а в качестве второй измеряемой полуволны - вторую (противоположной полярности) полуволну одного и того же двухполярного сигнала индукционного датчика частоты вращения, причем в процессе измерения вольт-секундной площади S₁ первой полуволны сравнивают получаемые величины S₁ с пороговым значением S_пр.min и в момент выполнения условия S₁ >S_пр.min вырабатывают разрешение на измерение вольт-секундной площади S₂ второй (противоположной полярности) полуволны, которое отменяют в начале или после начала выдачи требуемого импульса, с поступлением каждого нового двухполярного сигнала индукционного датчика частоты вращения повторяют процесс формирования требуемого импульса.

2. Способ формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения по п.1, отличающийся тем, что в процессе измерения вольт-секундной площади S₂ второй (противоположной полярности) полуволны двухполярного сигнала индукционного датчика частоты вращения вырабатывают дополнительный параметр S_x=(1+Q)·S₂/2, сравнивают его максимальную величину S_xk с пороговыми значениями S_пор1=Q·S_1к и S_пор2=S _1к и при выполнении условий S_1к>S_пр.min , S_пор1<S_хк<S_пор2 (вместо условий S_1к>S_пр.min, S₂>S _пор1 по п.1) вырабатывают требуемый импульс.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического измерения, управления и аварийной защиты, в состав которых входят датчики, вырабатывающие двухполярные сигналы, в частности индукционные датчики частоты вращения и расхода.

Известен способ формирования импульсов из сигналов датчиков, в котором измеряют и сравнивают величины двух соседних одинаковых по полярности сигналов датчика, причем сначала измеряют величину e_c1 первого сигнала, запоминают его амплитуду А1, вырабатывают пороговое значение u_пор1=P·A1, где Р<1, затем измеряют величину е_с2 второго сигнала датчика, в процессе измерения сравнивают получаемые величины е_с2 с пороговым значением u_пор1 и при выполнении условия e_c2>u _пор1 вырабатывают требуемый импульс. Одновременно с измерением величины сигнала е_с2 запоминают его амплитуду А2, вырабатывают пороговое значение u_пор2=Р·А ₂, используемое в следующем цикле формирования импульсов. С приходом каждого нового сигнала датчика повторяют процесс формирования требуемого импульса. По этому способу выполнено устройство [1].

Такой способ неэффективен при изменении амплитуды сигналов в широких пределах, так как понижение порога, необходимое для сигналов низкого уровня, уменьшает помехоустойчивость формирования импульсов из сигналов датчиков.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, в котором измеряют и сравнивают вольт-секундные площади двух соседних одинаковых по полярности полуволн двухполярных сигналов индукционного датчика частоты вращения, причем сначала измеряют вольт-секундную площадь S₁ первой полуволны, запоминают ее максимальное значение S_1к, вырабатывают пороговое значение S_пор1=Q·S_1к, где Q<1, сравнивают S_1к с пороговым значением S _пр.min, равным предельной минимальной допустимой величине вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов, затем измеряют вольт-секундную площадь S₂ второй полуволны, в процессе измерения сравнивают получаемые величины S₂ с пороговым значением S_пор1 и при выполнении условий S_1к>S_пр.min, S₂>S _пор1 вырабатывают требуемый импульс. Одновременно с измерением вольт-секундной площади S₂ запоминают ее максимальное значение S_2к, вырабатывают пороговое значение S _пор2=Q·S_2к, необходимое для реализации следующего цикла формирования импульсов. С поступлением каждого нового двухполярного сигнала индукционного датчика частоты вращения повторяют процесс формирования требуемого импульса. Способ-прототип нашел реализацию в устройстве [2].

Первым существенным недостатком способа-прототипа является низкая помехоустойчивость формирования требуемых импульсов. Этот недостаток вызван, во-первых, тем, что процесс формирования импульсов не защищен от воздействия однополярных сигналов-помех, вольт-секундная площадь S_пом которых превышает пороговые значения S_пр.min и S _пор1. Такие помехи, имея одинаковую полярность с исследуемыми полуволнами сигналов, приводят к формированию рассматриваемым способом ложных импульсов.

Во-вторых, при формировании импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, инициируемых несколькими возбудителями (z 2), рассматриваемый способ не позволяет устанавливать величину порога S_пор1 формирования требуемых импульсов, близкую к вольт-секундной площади S_1к исследуемых полуволн сигналов.

Последнее утверждение объясняется следующим. Пусть вольт-секундная площадь исследуемых полуволн сигналов индукционного датчика частоты вращения имеет номинальное значение S_н , а максимальное отклонение ее от номинального значения составляет ± S или в относительных величинах - =± S/S_н. Тогда максимальное допустимое значение вольт-секундной площади будет равно S_max=S_н ·(1+ ), а минимальное - S_min=S_н·(1- ).

При поступлении сигнала e_c1 (фиг.1), вольт-секундная площадь S_1к исследуемой полуволны которого имеет максимальную величину S_max , вырабатывается пороговый уровень, равный S_пор1max =Q·S_max, и для того, чтобы был сформирован требуемый импульс при последующем поступлении полуволны сигнала е_с2 , имеющей минимальную вольт-секундную площадь S_min , необходимо выполнить условие S_пор1max S_min.

Из последнего отношения получаем

Выбранное с учетом зависимости (1) значение параметра Q остается неизменным в процессе формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения.

При этом минимальное значение S_пор1min порога формирования требуемого импульса будет иметь место при поступлении сигнала, вольт-секундная площадь исследуемой полуволны которого равна S_min, и определится

В таблице представлены результаты расчета параметров Q и S_пор1min/S_н по формулам (1) и (2).

, %	1	2	3	5	10	15	20	22	25	30
Q	0,98	0,96	0,94	0,92	0,82	0,74	0,67	0,64	0,60	0,54
	0,97	0,94	0,91	0,86	0,74	0,63	0,53	0,50	0,45	0,38

Как видно из таблицы, минимальное значение S_пор1min порога формирования импульсов существенно зависит от величины а максимального отклонения вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов. Так, например, при =5% имеем S_пор1min<0,86·S_н , то есть при =5% порог S_пор1min меньше номинального значения S_н на 14%, при =10% - на 26%, а при =22% он составляет только половину S_н.

Отклонение S вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов от ее номинального значения S_н зависит от неточности установки зазора между возбудителями сигналов и индукционным датчиком частоты вращения, от разброса геометрических и магнитных параметров возбудителей и при числе возбудителей z 2 может составлять значительную величину. Поэтому в рассматриваемом случае порог S_пор1 формирования импульсов устанавливается значительно ниже вольт-секундной площади S_1к исследуемой полуволны сигнала, а его минимальное значение S_пор1min получается существенно меньше номинального значения S_н вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов, что и приводит к снижению помехоустойчивости процесса формирования импульсов способом-прототипом.

Вторым существенным недостатком способа-прототипа является значительная погрешность в повторении формируемыми импульсами длительности периодов следования сигналов ее датчиков частоты вращения.

Такая погрешность обусловлена тем, что при наличии отклонений S площади исследуемых полуволн сигналов от ее номинального значения S_н в рассматриваемом способе формируются импульсы, периоды Т_и следования которых не равны соответствующим периодам Т_c сигналов индукционных датчиков частоты вращения (фиг.2). Разница длительностей этих периодов зависит от величины S, причем максимальное значение периода Т_{и мах} имеет место, когда за сигналом с площадью S_мах следует сигнал с площадью S_min, а минимальное значение периода Т_{и min} - когда за сигналом с площадью S_min следует сигнал с площадью S_мах. При построении графиков фиг.2 и 5 принято значение S, при котором Q=5/8=0.625. Числа, указанные на графиках, представляют собой условные единицы времени.

Кроме того, индукционные датчики частоты вращения вырабатывают двухполярные сигналы, а в способе-прототипе формируются импульсы при наличии однополярных сигналов, то есть информация о наличии второй полуволны (противоположной полярности) не учитывается, что снижает достоверность (надежность) формируемых импульсов.

Перечисленные выше недостатки способа-прототипа приводят к понижению помехоустойчивости, точности и надежности повторения формируемыми импульсами длительности периодов следования сигналов индукционных датчиков частоты вращения.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении помехоустойчивости, точности и надежности повторения формируемыми импульсами длительности периодов следования сигналов индукционных датчиков частоты вращения.

Для достижения указанного технического результата в способе формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, в котором измеряют и сравнивают вольт-секундные площади двух соседних одинаковых по полярности полуволн двухполярных сигналов индукционного датчика частоты вращения, причем сначала измеряют вольт-секундную площадь S₁ первой полуволны, запоминают ее максимальное значение S_1к, вырабатывают пороговое значение S_пор1=Q·S_1к, где Q<1, сравнивают S_1к с пороговым значением S _пр.min, равным предельной минимальной допустимой величине вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов, затем измеряют вольт-секундную площадь S₂ второй полуволны, в процессе измерения сравнивают получаемые величины S₂ с пороговым значением S_пор1 и при выполнении условий S_1к>S_пр.min, S₂>S _пор1 вырабатывают требуемый импульс в отличие от прототипа:

1. В качестве первой измеряемой полуволны используют первую полуволну, а в качестве второй измеряемой полуволны - вторую (противоположной полярности) полуволну одного и того же двухполярного сигнала индукционного датчика частоты вращения, причем в процессе измерения вольт-секундной площади S₁ первой полуволны сравнивают получаемые величины S₁ с пороговым значением S_пр.min и в момент выполнения условия S₁>S_пр.min вырабатывают разрешение на измерение вольт-секундной площади S₂ второй (противоположной полярности) полуволны, которое отменяют в начале или после начала выдачи требуемого импульса, с поступлением каждого нового двухполярного сигнала индукционного датчика частоты вращения повторяют процесс формирования требуемого импульса.

2. В дополнение к п.1, в процессе измерения вольт-секундной площади S₂ второй (противоположной полярности) полуволны двухполярного сигнала индукционного датчика частоты вращения вырабатывают дополнительный параметр S_x=(1+Q)·S₂/2, сравнивают его максимальную величину S_хк с пороговыми значениями S_пор1=Q·S_1к и S_пор2=S _1к и при выполнении условий S_1к>S_пр.min , S_пор1<S_хк<S_пор2 (вместо условий S_1к>S_пр.min, S₂>S _пор1 по п.1) вырабатывают требуемый импульс.

В отличие от прототипа в предлагаемом способе формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения осуществляется измерение и сравнение вольт-секундных площадей двух полуволн сигнала, инициируемого одним возбудителем (фиг.3а).

Индукционные датчики частоты вращения работают на основе закона Фарадея, согласно которому индуцированная ЭДС е_с определяется скоростью изменения магнитного поля Ф, сцепленного с катушкой из w витков [3]:

В рассматриваемом случае изменение магнитного поля вызывается пересечением силовых линий поля магнита датчика выступами вращающегося возбудителя [4]. При входе возбудителя в магнитное поле в катушке индуцируется первая полуволна сигнала, а при его выходе - вторая полуволна, имеющая противоположную полярность.

Вольт-секундная площадь S_1к первой полуволны такого сигнала примерно равна аналогичной площади S_2к второй (противоположной полярности) полуволны, а отношение этих площадей R=S_1к/S_2к близко к 1, не зависит от погрешности установки зазора между датчиком и возбудителем, характеристик самого возбудителя и остается постоянным в широком диапазоне частоты вращения.

Поэтому предлагаемый способ позволяет устанавливать значение порога S _пор1 формирования импульсов, близкое к вольт-секундной площади S_1к первой полуволны сигнала, что повышает помехоустойчивость процесса формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения.

В качестве примера на фиг.3б показан двухполярный сигнал-помеха, вольт-секундная площадь второй полуволны которого несколько меньше аналогичной площади первой полуволны. В данном случае предлагаемый способ исключает формирование импульса.

Кроме того, в отличие от прототипа в предлагаемом способе формирование импульсов осуществляется только при наличии двухполярного сигнала, причем один или несколько однополярных сигналов-помех (любой полярности и величины) не приводят к формированию ложных импульсов (фиг.3в). Такое условие повышает помехоустойчивость формирования импульсов и их достоверность (надежность). В прототипе каждый сигнал-помеха, имеющий одинаковую полярность с исследуемой полуволной сигнала и вольт-секундную площадь S_пом>S_пр.min , S_пом>S_пор1, приводит к формированию ложного импульса.

Второй пункт формулы предлагаемого способа формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения предусматривает образование дополнительного параметра S_x=(1+Q)·S₂/2 и сравнение его максимальной величины S_хк с пороговыми значениями S_пор1=Q·S_1к и S_пор2=S _1к. При этом S_хк=(1+Q)·S_2к/2.

Так как номинальные значения вольт-секундных площадей двух полуволн одного сигнала индукционного датчика частоты вращения имеют примерно одинаковые величины S_1к S_2к, то приведенное выше уравнение для S _хк можно представить в виде

Из последнего уравнения следует, что в момент принятия решения о формировании требуемого импульса номинальное значение параметра S_хк равно средней арифметической величине порогов S_пор1 и S_пор2, то есть номинальное значение параметра S_хк на фиг.4а находится посредине между порогами S_пор1 и S_пор2.

При этом максимальное допустимое отклонение параметра S_хк от его номинального значения определится как S_x=S_1к-S_хк=(1-Q)·S _1к/2, a относительное значение этого отклонения будет равно = S_x/S_хк=(1-Q)/(1+Q).

Из последнего равенства следует, что п.2 формулы предусматривает весьма жесткий критерий наличия полезного сигнала: относительная величина допуска на изменение дополнительного параметра S _x (а с небольшой погрешностью можно считать - на изменение площади S₂) имеет малое значение, например, при Q=0,95 =2,6%, при Q=0,9 =5,3%, при Q=0,8 =11%.

Кроме того, наличие отклонений S площади исследуемых полуволн сигналов от ее номинального значения S_н в предлагаемом способе не влияет на длительность периодов повторения формируемых импульсов, которая в данном случае равна длительности соответствующих периодов следования сигналов индукционных датчиков частоты вращения (фиг.5).

Следовательно, предлагаемый способ формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения в корне отличается от способа-прототипа, в котором измеряются и сравниваются вольт-секундные площади двух соседних одинаковых по полярности полуволн сигналов.

В предлагаемом способе анализу подлежит каждый двухполярный сигнал и формируется требуемый импульс при условии, что этот сигнал соответствует следующим требованиям:

1) сигнал должен быть двухполярным;

2) площадь S _1к первой полуволны сигнала должна превышать S_пр.min ;

3) вторая полуволна сигнала должна иметь полярность, противоположную полярности первой полуволны;

4) площадь S_2к второй полуволны сигнала должна превышать порог S_пор1=Q·S_1к, причем значение этого порога весьма высокое (близкое к S_1к) - по п.1 формулы;

5) площадь S_2к второй полуволны сигнала с небольшой погрешностью должна быть равной площади первой полуволны сигнала - по п.2 формулы.

Таким образом, все отличительные признаки, приведенные в двух пунктах формулы предлагаемого способа формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию «новизна». Эти признаки не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники, позволяют получить новое качество и существенное отличие: обеспечивают высокую помехоустойчивость, точность и надежность повторения формируемыми импульсами длительности периодов следования сигналов индукционных датчиков частоты вращения.

В приведенном тексте описания и на фиг.1-6 приняты следующие обозначения и сокращения:

А1, А2 - значения амплитуды исследуемых сигналов;

датчик - индукционный датчик частоты вращения;

e_c - сигнал датчика;

e_пом - сигнал помехи;

u_ф - сформированный импульс;

u _пор - напряжение порога формирования импульсов;

S - площадь сигнала - вольт-секундная площадь полуволны сигнала;

S₁, S₂, S_1к, S _2к - соответственно получаемые в процессе измерения величины вольт-секундных площадей первой и второй исследуемых полуволн сигналов и максимальные (конечные) значения этих площадей;

S_пом - вольт-секундная площадь полуволны сигнала-помехи;

Р, Q - коэффициенты, определяющие часть амплитуды А1 или площади S_1к, составляющую порог u_пор1=P·A1 или S_пор1=Q·S _1к;

S_пор1, S_пор2 - пороги формирования требуемых импульсов, причем S_пор1 =Q·S_1к; S_пор2=S_1к;

S_пор1min, S_пор1max - минимальное и максимальное значения S_пор1;

S_пр.min - предельное минимальное допустимое значение вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов;

S_x , S_хк - соответственно получаемые в процессе формирования величины дополнительного параметра и его максимальное (конечное) значение, причем S_x=(1+Q)·S₂/2;

S_н - номинальное значение площади исследуемых полуволн сигналов;

S_min, S_max - соответственно минимальное и максимальное допустимые значения вольт-секундной площади полуволн исследуемых сигналов;

S, - абсолютная и относительная величины максимального отклонения площади исследуемых полуволн сигналов от S_н;

Т_c, Т_и - период следования сигналов соответственно датчика и сформированных импульсов;

Z - число возбудителей на роторе исследуемого объекта;

- относительная величина допуска на изменение S_хк ;

w - число витков катушки датчика;

Ф - магнитный поток, в котором находится катушка;

R - отношение площадей первой и второй полуволн сигнала датчика.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1-6, на которых представлены:

фиг.1 - временные диаграммы формирования импульсов по способу-прототипу;

фиг.2 - временные диаграммы, иллюстрирующие влияние S на Т_и в способе-прототипе;

фиг.3 - временные диаграммы формирования импульсов по пункту 1 формулы предлагаемого способа;

фиг.4 - временные диаграммы формирования импульсов по пункту 2 формулы предлагаемого способа;

фиг.5 - временные диаграммы, иллюстрирующие независимость Т_и от S в предлагаемом способе;

фиг.6 - блок-схема одного из возможных устройств, реализуемых на основе предлагаемого способа формирования импульсов.

В приведенном на фиг.6 варианте реализации предлагаемого способа сигналы е _c индукционного датчика частоты вращения поступают на входы блока 1 измерения S₁, инвертора 4 сигналов и блока 6 управления. При этом в блоке 6 управления вырабатываются сигналы разрешения измерения S₁, S₂ и выдачи требуемых импульсов:

- разрешение измерения S₁ при наличии на входе блока 6 первой полуволны сигнала (подается на блок 1);

- разрешение измерения S₂ или S_x при наличии на входе блока 6 второй полуволны сигнала и при S_1к>S_пр.min (подается на блок 5);

- разрешение выдачи требуемого импульса при S_1к>S_пр.min (подается на блок 3).

В блоке 1 путем интегрирования производится измерение S₁;

В блоке 2 запоминается значение S_1к формируется порог S_пор1=Q·S _1к.

В блоке 3 выполняется сравнение площадей S₂ с S_порi (по п.1 формулы) или S_хк с S_пор1 и S_пор2 (по п.2 формулы) и вырабатывается требуемый импульс.

Инвертор 4 изменяет полярность сигналов е_с на противоположную с коэффициентом передачи, равным К=-1 (по п.1 формулы) или К=-(1+Q)/2 (по п.2 формулы). Если же из-за каких-либо конструктивных особенностей системы ротор-возбудители-датчик величина площади второй полуволны существенно отличается от площади первой полуволны сигнала датчика, то подбором коэффициента передачи инвертора 4 представляется возможным устранить влияние этого неравенства на формирование импульсов.

В блоке 5 путем интегрирования производится измерение S₂ (по п.1 формулы) или S_x (по п.2 формулы).

Блоки 1 измерения S₁ и 5 измерения S₂ или S_x представляют собой интеграторы и могут быть выполнены на операционных усилителях, например на микросхеме 1401УД2А КО.347.306-01ТУ [5].

Блок 2 запоминания S_1к и формирования S_пор1 является амплитудным детектором с подключенным к нему резисторным делителем напряжения, причем амплитудный детектор может быть выполнен на микросхеме 1401УД2А.

Блок 3 сравнения вольт-секундных площадей и формирования выходных импульсов может быть реализован на компараторах, например 1401СА1 КО.348.651-ОЗТУ, и одновибраторах, например 564АГ1 КО.347.064-32ТУ.

Инвертор 4 сигналов является инвертирующим операционным усилителем, выполненным, например, на микросхеме 1401УД2А.

Блок 6 управления состоит из пороговых элементов, например компараторов 1401СА1, и аналоговых ключей, например 590КН9 КО.347.000-10ТУ или 590КН13 КО.347.000-16ТУ.

Выполненные по предлагаемому способу формирователи импульсов предназначены в основном для работы совместно с устройствами измерения частоты. Так, например, в тандеме с устройством, представленным в [6], они позволяют создавать помехоустойчивые высокоточные модули измерения и контроля частоты, которые могут быть использованы прежде всего в системах аварийной защиты энергонасыщенных объектов, таких, например, как жидкостные ракетные и газотурбинные авиационные двигатели [7]. При этом одним из источников помех могут быть электрические цепи (кабели) систем управления двигателем, по которым осуществляется подача мощных сигналов, управляющих исполнительными элементами двигателя (пироклапанами, электропневмоклапанами и др.).

Использование в данном случае предлагаемого способа формирования импульсов позволит значительно повысить эффективность аварийной защиты испытываемых объектов и стендов от разрушений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авторское свидетельство СССР № 1550611, A1, H03K 5/24, G05B 1/01, опубл. 15.03.90 г.

2. Патент RU № 2173022, С2, МПК7 Н03К 5/153, опубл. 27.08.2001 г.

3. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник. / Под общей редакцией Ю.Н.Коптева. Том 1, М., издательское предприятие журнала "Радиотехника", 1998 г, стр.52.

4. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник. / Под общей редакцией Ю.Н.Коптева. Том 2, М., издательское предприятие журнала "Радиотехника", 2000 г, стр.561, стр.616-618.

5. Интегральные микросхемы. Операционные усилители и компараторы. Справочник, том 12, изд. 2, Додека-21в, 2002 г.

6. Патент RU N 2300112, С2, МПК G01R 23/10, опубл. 27.05.2007.

7. Н.Н.Севрюгин, И.А.Потапов, А.Н.Попов, A.M.Цирихов «Опыт автоматизации процесса испытаний авиационных газотурбинных двигателей || Приборы и Системы. Управление, контроль, диагностика. 2001. N5.