ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ ИНДУКЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ ОБОРОТОВ Российский патент 2001 года по МПК H03K5/153 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для формирования сигналов индукционных датчиков оборотов при измерении скорости вращения вращающихся узлов, например турбонасосных агрегатов.

Известные формирователи импульсов ("Пороговое устройство", а. с. N 1550611), основанные на принципе амплитудной селекции, неэффективны при измерении амплитуды входного сигнала в широких пределах, так как понижение порога срабатывания, необходимое для сигналов низкого уровня, уменьшает помехозащищенность формирователей.

Для сигналов индукционных датчиков наиболее эффективно использование принципа селекции сигнала по площади, которая для данного датчика и контролируемого вращающегося узла, являющегося одновременно возбудителем, остается неизменной вследствие пропорциональной зависимости амплитуды сигнала от частоты.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому является "Формирователь импульсов для измерения частоты переодического сигнала" по а.с. N 581579, заявка N 2382131/18 от 07.07.76 г., H 03 K 13/02 (прототип).

Известное устройство содержит бистабильный элемент, к входам которого подключены выходы двух пороговых элементов, ключ, три фиксатора, два интегратора и блок смещения нуля, выход которого соединен с первым входом первого интегратора, второй вход первого интегратора подключен к выходу ключа, входы которого соединены соответственно с выходом бистабильного элемента и первым входом второго интегратора, второй и третий входы которого подключены к выходам первого и второго фиксаторов, а вход первого фиксатора подключен к первому входу первого порогового элемента и к выходу первого интегратора, третий вход которого соединен с выходом третьего фиксатора, причем выход второго интегратора подключен к второму входу первого порогового элемента и входу второго порогового элемента.

Известное устройство позволяет реализовать принцип селекции входного сигнала по площади. Его недостатком является низкая помехозащищенность в переходных режимах, когда происходит установление регулируемого верхнего порога срабатывания, определяемого выходным сигналом первого интегратора. При поступлении входного сигнала порог чувствительности устройства по площади изменяется от минимального значения, задаваемого фиксатором нижнего уровня первого интегратора, до установившегося значения, при котором порог срабатывания по площади составляет 50% от площади входного сигнала. Время установления определяется постоянной интегрирования первого интегратора, которая для нормальной и устойчивой работы устройства должна быть значительно больше постоянной интегрирования второго интегратора. Конкретное значение постоянной интегрирования первого интегратора выбирается с учетом нижней частоты входного сигнала, при котором выходное напряжение интегратора не должно содержать заметных пульсаций. Для этого необходимо, чтобы постоянная интегрирования была как минимум на порядок больше периода следования входных импульсов. При нижней частоте входного сигнала 10 Гц постоянная интегрирования первого интегратора должна быть не менее 1 сек.

Так, например, при проведении испытаний и отработке высокоскоростных турбонасосных агрегатов, устройство в начале пуска обладает пониженной помехозащищенностью и не обеспечивает необходимую селекцию сигнала от помех. В результате системой аварийной защиты может вырабатываться команда ложного выключения.

Другим недостатком устройства является невозможность получения уровня помехозащищенности более 50% от площади полезного сигнала, что в ряде практических случаев является недостаточным. Данное ограничение связано с принципом действия устройства, при котором интегрирование входного сигнала вторым интегратором в установившемся режиме осуществляется до значения 50% от площади полуволн сигнала.

Недостатком известного устройства является также насыщение операционного усилителя второго интегратора при достижении его выходным сигналом верхнего и нижнего уровней фиксации, т.к. при ограничении выходного напряжения при помощи фиксаторов операционный усилитель интегратора из активного режима переходит в режим насыщения. В результате чего значительно снижается верхнее значение рабочей полосы частот.

Целью предлагаемого изобретения является повышение помехозащищенности устройства как в переходном, так и в установившемся режимах работы.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее два пороговых элемента, ключ, интегратор, включающий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход через конденсатор соединен с инвертирующим входом, соединенным через резистор с входной шиной устройства, введены два ключа, два формирователя импульсов, разрядный конденсатор, делитель напряжения на резисторах, схема "И", пороговый элемент и амплитудный детектор, включающий операционный усилитель, выход которого подключен через диод к инвертирующему входу операционного усилителя, между которым и общей шиной подключен запоминающий конденсатор, причем выход интегратора соединен с первым входом первого порогового элемента и входом амплитудного детектора, выход которого соединен с входом второго порогового элемента и через делитель напряжения - с общей шиной, параллельно запоминающему конденсатору амплитудного детектора подключены последовательно соединенные первый ключ и разрядный конденсатор, параллельно которому подключен второй ключ, управляющие входы первого и второго ключей подключены соответственно к выходам первого и второго формирователей импульсов, входы которых соединены с первым входом схемы "И" и выходом первого порогового элемента, второй вход которого соединен с выходом делителя напряжения, выход второго порогового элемента соединен с вторым входом схемы "И", выход которой соединен с выходной шиной устройства, вход третьего порогового элемента соединен с входной шиной, а выход - с управляющим входом третьего ключа, подключенного параллельно конденсатору интегратора.

Сравнение предложенного технического решения с прототипом и другими аналогами в данной области показано, что данная совокупность признаков в предложенном сочетании является новой, применена впервые и ранее не использовалась.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию изобретения "Новизна".

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - эпюры, поясняющие его работу. На схеме приняты следующие обозначения элементов:
1 - интегратор;
2 - амплитудный детектор;
3 - первый пороговый элемент;
4 - схема "И";
5 - второй пороговый элемент;
6 - первый ключ;
7 - разрядная емкость;
8 - второй ключ;
9 - первый формирователь импульсов;
10 - второй формирователь импульсов;
11 - третий пороговый элемент;
12 - третий ключ;
13, 14 - резисторы делителя напряжения;
15, 16, 17 - соответственно операционный усилитель, резистор и конденсатор, входящие в состав интегратора 1;
18, 19, 20 - соответственно операционный усилитель, диод и запоминающий конденсатор, входящие в состав амплитудного детектора 2.

Заявляемое устройство содержит интегратор 1, выполненный на операционном усилителе 15, конденсаторе 17 и резисторе 16, амплитудный детектор 2, включающий операционный усилитель 18, диод 19 и запоминающую емкость 20, при этом выход интегратора 1 соединен с первым входом порогового элемента 3 и входом амплитудного детектора 2, выходом соединенного с входом порогового элемента 5 и через делитель напряжения на резисторах 13, 14 - с вторым входом порогового элемента 3. Параллельно запоминающему конденсатору 20 амплитудного детектора 2 подключены последовательно соединенные ключ 6 и разрядный конденсатор 7, параллельно которому подключен ключ 8. Управляющие входы ключей 6 и 8 подключены соответственно к выходам формирователей 9 и 10, входы которых соединены с выходом порогового элемента 3 и первым входом схемы "И", второй вход которой соединен с выходом порогового элемента 5, а выход - с выходной шиной устройства, вход порогового элемента 11 соединен с входной шиной устройства и входом интегратора 1, а выход - с управляющим входом ключа 12, подключенного параллельно конденсатору 17 интегратора 1.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал индукционного датчика оборотов, представляющий собой последовательность двуполярных импульсов полезного сигнала и сигнала помехи (фиг. 2а), поступает на вход интегратора 1 и порогового элемента 11. Порог срабатывания элемента 11 составляет несколько милливольт и имеет отрицательное значение, поэтому при отсутствии входного сигнала или положительной его полярности, на выходе порогового элемента 11 имеется низкий уровень напряжения (фиг. 2б), который, поступая на управляющий вход ключа 12, открывает его. Емкость 17 интегратора 1 разряжается и его выходное напряжение поддерживается на нулевом уровне.

При поступлении отрицательной полуволны входного сигнала на выходе порогового элемента 11 устанавливается высокий уровень напряжения (фиг. 2б), ключ 11 размыкается и происходит интегрирование интегратором 1 и отрицательной полуволны (фиг. 2в).

На запоминающем конденсаторе 20 амплитудного детектора 2 хранится напряжение U_ад, равное максимальному выходному напряжению интегратора 1, полученному при интегрировании предыдущей отрицательной полуволны сигнала и соответствующее ее вольт-секундной площади (фиг. 2г).

Порог срабатывания порогового элемента 3 U_пор, определяется напряжением на его втором входе, поступающим с выхода амплитудного детектора 2 через делитель напряжения на резисторах 13, 14 (фиг. 2в), т.е. определяется площадью полуволны входного сигнала датчика и коэффициентом деления делителя. При превышении выходным сигналом интегратора, поступающим на первый вход элемента 3, порога срабатывания на его выходе появляется высокий уровень напряжения. Возврат порогового элемента 3 в исходное состояние осуществляется в момент сброса интегратора при достижении отрицательной полуволной входного сигнала нулевого уровня (фиг. 2в). Сформированные пороговым элементом 3 импульсы поступают на первый вход схемы "И" 4 (фиг. 2д).

Пороговый элемент 5 определяет порог чувствительности устройства по площади, разрешая прохождение импульсов с выхода элемента 3 через схему "И" 4 на выходную шину устройства при превышении выходным напряжением амплитудного детектора 2 его порогового уровня (фиг. 2д).

Порог срабатывания порогового элемента 3, в зависимости от уровня помехи относительно полезного сигнала, может устанавливаться выбором коэффициента деления делителя на резисторах 13, 14 в широких пределах до 90% и более от площади полуволны полезного сигнала.

Формирователи импульсов 9 и 10 соответственно формируют импульсов (фиг. 2е, ж), управляющие работой ключей 6 и 8, по переднему и заднему фронтам выходного импульса порогового элемента 3. Ключ 6 кратковременно открывается и подключает параллельно запоминающему конденсатору 20 конденсатор 7. Соотношение их емкостей таково, что напряжение на конденсаторе 20 уменьшается на 5%. Затем он дозаряжается до максимального напряжения на выходе интегратора. При помощи ключа 8 осуществляется разряд емкости 7 до нулевого значения напряжения по заднему фронту выходного импульса элемента 3.

Таким образом осуществляется автоматическая подстройка порога срабатывания устройства по площади при каждом поступлении сигнала с датчика оборотов. Необходимость подстройки связана с нелинейностью амплитудно-частотной характеристики датчика, что приводит к некоторому непостоянству площади полуволн сигнала.

По сравнению с прототипом заявляемое устройство имеет большую помехоустойчивость в установившемся и переходном режимах работы и тем самым позволяет обеспечить высокую достоверность и точность получаемой информации об угловой скорости вращающихся узлов.

Порог срабатывания предлагаемого устройства, в зависимости от уровня помехи, может задаваться в широких пределах до 90% и более от площади полезного сигнала. При этом установление заданного порога срабатывания происходит за время, равное длительности первой поступившей полуволны сигнала датчика.

Заявляемое устройство может найти широкое применение при измерении угловой скорости вращающихся узлов индукционными датчиками. На предприятии изготовлен и испытан макетный образец устройства. При лабораторных испытаниях в качестве датчика оборотов использовался его имитатор, позволяющий задавать различные соотношения сигнала и помехи в широком диапазоне частот и амплитуд. Результаты подтвердили высокую помехоустойчивость и быстродействие устройства.

Макет устройства использовался при проведении стендовых испытаний турбонасосных агрегатов, результаты которых также подтвердили высокие технические характеристики заявляемого устройства как на режиме запуска, так и на основном режиме работы турбонасосного агрегата. Использование устройства позволит повысить качество отработки изделий, сократить их сроки, исключить несанкционированную работу системы аварийной защиты.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при измерении скорости вращения роторов турбонасосных агрегатов энергоустановок и других вращающихся узлов. Изобретение содержит три пороговых элемента, три ключа, два формирователя импульсов, разрядный конденсатор, делитель напряжения на резисторах, схему "И", интегратор, амплитудный детектор, запоминающий конденсатор. Выход интегратора соединен с первым входом первого порогового элемента и входом амплитудного детектора, выход которого соединен с входом второго порогового элемента и через делитель напряжения - с общей шиной. Параллельно запоминающему конденсатору амплитудного детектора подключены последовательно соединенные первый ключ и разрядный конденсатор, параллельно которому подключен второй ключ, управляющие входы первого и второго ключей подключены соответственно к выходам первого и второго формирователей импульсов, входы которых соединены с первым входом схемы "И" и выходом первого порогового элемента, второй вход которого соединен с выходом делителя напряжения. Выход второго порогового элемента соединен со вторым входом схемы "И", выход которой соединен с выходной шиной устройства, вход третьего порогового элемента соединен с входной шиной и входом амплитудного детектора, а выход - с управляющим входом третьего ключа, подключенного параллельно конденсатору интегратора. Данный формирователь основан на принципе селекции входного сигнала по площади и имеет высокую помехоустойчивость и быстродействие в широком диапазоне частот и амплитуд входного сигнала, что является техническим результатом. 2 ил.

Формирователь импульсов индукционных датчиков оборотов, содержащий первый и второй пороговые элементы, первый ключ, интегратор, включающий операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а выход через конденсатор соединен с инвертирующим входом, соединенным через резистор с входной шиной, отличающийся тем, что в него введены второй и третий ключи, два формирователя импульсов, разрядный конденсатор, делитель напряжения на резисторах, схема "И", третий пороговый элемент и амплитудный детектор, включающий операционный усилитель, выход которого через диод подключен к его инвертирующему входу, между которым и общей шиной подключен запоминающий конденсатор, причем выход интегратора соединен с первым входом первого порогового элемента и входом амплитудного детектора, выход которого соединен с входом второго порогового элемента и через делитель напряжения - с общей шиной, параллельно запоминающему конденсатору амплитудного детектора подключены последовательно соединенные первый ключ и разрядный конденсатор, параллельно которому подключен второй ключ, управляющие входы первого и второго ключей подключены соответственно к выходам первого и второго формирователей импульсов, входы которых соединены с первым входом схемы "И" и выходом первого порогового элемента, второй вход которого соединен с выходом делителя напряжения, выход второго порогового элемента соединен с вторым входом схемы "И", выход которой соединен с выходной шиной, вход третьего порогового элемента соединен с входной шиной и входом интегратора, а выход - с управляющим входом третьего ключа, подключенного параллельно конденсатору интегратора.