СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОГО УСКОРЕНИЯ ВАЛА Российский патент 2002 года по МПК G01P15/105 

Изобретение относится к области измерения параметров вращения вала. Изобретение может быть использовано в системах автоматического управления, в АСУ ТП, в технике измерений, в приборах измерения ускорений.

Известен способ преобразования углового ускорения вала в код, основанный на использовании фазовращателей [А.С. 994990], описанный в книге В.Г. Домрачева и др. "Схемотехника цифровых преобразователей", М.: Энергоиздат, 1987. Суть этого способа заключается в том, что при вращении вала, с помощью генератора импульсов и фазовращателя создаются фазовые сдвиги импульсов, которые подаются на фазовый детектор с управляемым генератором, который управляется сумматором с интегратором, а другой выход фазового детектора через фильтр низкой частоты выдает сигнал, соответствующий угловому ускорению.

Недостатком этого способа является малая точность, малое быстродействие и высокие габариты вследствие большой сложности преобразования и использования фазовращателей (В.Т. и др.).

Известен способ преобразования углового ускорения (А.С. 1101740, СССР) с использованием фазовращателей и электронной редукции частоты, благодаря чему погрешность уменьшается. Но по-прежнему велики габариты, погрешность и мало быстродействие. Способ еще более усложняется.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является способ преобразования углового ускорения в код, описанный в издании (В.Г.Домрачев и др. "Схемотехника цифровых преобразователей", М.: Энергоиздат, 1987, стр.145).

Суть этого способа заключается в том, что генератор через делитель частоты и формирователь опорного напряжения запитывает фазовращатель, вал которого передает информацию об угловом ускорении. Сигнал с выхода фазовращателя подается на нульорган и далее на триггер, с выхода которого на формирователь узких импульсов, на первый накапливающий сумматор и на первый вход регистра для выходного сигнала углового ускорения, а сигнал с формирователя узких импульсов подается на второй накапливающий сумматор и информационный вход двоичного суммирующего счетчика, с выхода которого подается на двоичный сумматор, на второй вход которого подается выходной сигнал 2^го накапливающего сумматора, с выхода двоичного накапливающего сумматора сигнал подается на второй вход регистра выдающего код углового ускорения.

Недостатками этого способа являются малое быстродействие, связанное с использованием фазы в качестве промежуточного параметра в преобразователе, малая точность, связанная с погрешностью самого фазовращателя, большие габариты и сложность преобразования.

Задачей заявляемого изобретения является создание способа измерения углового ускорения вала, позволяющего увеличить точность преобразования, быстродействие, значительно упростить преобразование и уменьшить габариты. Это достигается путем использования скоростных свойств ЦМД и конструктивных особенностей реализации схемных решений.

Суть изобретения заключается в создании на феррит-гранатовой пластине цилиндрических магнитных доменов ЦМД, которые вращаются вокруг вала со скоростью существенно выше скорости вала. Микроэлектронные детекторы ЦМД обнаруживают их и позволяют измерять интервалы времени прохождения ЦМД между двумя детекторами. Обратные величины этих временных интервалов определяют величину угловых ускорений.

Технический результат достигается за счет отсутствия аналоговых преобразователей, простоты способа и применения техники ЦМД и микроэлектронной технологии.

Возможность осуществления изобретения подтверждается тем, что авторами уже разработаны и защищены авторскими свидетельствами преобразователи угла и скорости, построенные на базе техники ЦМД и микроэлектронной технологии. Доказана возможность измерения угловых перемещений с точностью до одной угловой секунды и линейных до одного микрометра, а так же временных интервалов до долей микросекунды. Все это создает возможность простым методом измерять ускорения.

Способ преобразования угловой скорости в код можно пояснить следующим образом (см. чертеж).

На феррит-гранатовом диске создаются ЦМД, расположенные на окружности, концентричной оси вала. Расстояние между ЦМД постоянно и равно углу На валу устанавливаются кронштейны с детекторами ЦМД на расстоянии один от другого, равном ϕ_c.
Под действием доменопродвигающих структур управляемых переменных электромагнитным полем, см. книгу В.П.Миловзорова. Электромагнитные устройства автоматики. М.: Высшая школа, 1983 г., стр. 239-231, ЦМД перемещаются со скоростью существенно выше максимальной скорости вала.

На чертеже:
- постоянные углы между ЦМД и между 1^ым и 2^ым детекторами соответственно;
ϕ_в - угол между 2^ым детектором ЦМД в момент прохождения ЦМД под первым детектором и положением 2^го детектора ЦМД в момент прохождения ЦМД под ним. Т.е. это перемещение вала за цикл измерения;
ϕ_д - угол, соответствующий перемещению ЦМД от первого детектора до встречи со вторым;
t - время прохождения ЦМД дуги, равной ϕ_д;
ω_д - угловая скорость ЦМД;
ω_в - угловая скорость вала.

Угол ϕ_д равен
ϕ_д = ω_д•t (1)
Угол ϕ_в равен
ϕ_в = ω_в•t (2)
Вычтем из (1) выражение (2)
ϕ_c = ϕ_д-ϕ_в = t(ω_д-ω_в); (3)
Отсюда

При прохождении возле детекторов первого ЦМД

При прохождении следующего ЦМД

Разность скоростей будет равна

Угловое ускорение (ε) определяется выражением

Таким образом, измерение времени прохождения между детекторами ЦМД первого ЦМД и времени прохождения следующего (второго) ЦМД позволяет весьма просто, быстро и с высокой точностью определить угловое ускорение. При этом габариты преобразователей много меньше существующих, т.к. преобразователи выполняются на базе микроэлектронной технологии. По этой же причине резко возрастает точность преобразования.

Так как угловая скорость ЦМД существенно больше скорости вала, то с весьма малой погрешностью можно считать, что

где t_c - время прохождения ЦМД между детекторами ЦМД, когда вал неподвижен.

И, следовательно,

Выражение (10) подставим в выражение (8) и получим упрощенную формулу для углового ускорения

Так как угловая скорость домена ω_д с высокой точностью постоянна, то можно считать ω_д = const = C.
Тогда выражение для углового ускорения будет выглядеть так:

Применение этой формулы позволяет упростить реализацию способа при незначительном изменении погрешности.

Способ может быть использован в системах автоматического управления, в АСУ ТП, в технике измерений и в приборах измерения ускорений. Суть способа заключается в создании на феррит-гранатовой пластине цилиндрических магнитных доменов (ЦМД), которые вращаются вокруг вала со скоростью существенно выше скорости вала. Детекторы ЦМД обнаруживают их и позволяют измерять интервалы времени прохождения ЦМД между двумя детекторами. ЦМД размещены на расстоянии друг от друга, равном постоянному углу. Два детектора связывают с валом и располагают над траекторией движения ЦМД. Измеряют время пробега первого ЦМД от первого детектора до второго детектора и время пробега второго ЦМД от первого детектора до второго. Угловое ускорение определяют по выражению, приведенному в описании. Обеспечивается повышение точности, быстродействия и упрощение реализации способа. 1 ил.

Способ измерения углового ускорения вала, отличающийся тем, что создают на феррит-гранатовом диске цилиндрические магнитные домены, расположенные концентрично валу на расстоянии друг от друга, равном постоянному углу, располагают два детектора цилиндрических магнитных доменов над их траекторией движения по окружности, на расстоянии друг от друга, равном углу ϕ_c, и связывают детекторы с валом, перемещают цилиндрические магнитные домены с угловой скоростью, превышающей максимальную угловую скорость вала, измеряют время пробега t₁ первого цилиндрического магнитного домена от первого детектора до второго детектора, измеряют время пробега t₂ второго цилиндрического магнитного домена от первого детектора до второго детектора, а угловое ускорение вала Σ определяется по выражению: