УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МГНОВЕННОЙ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01P3/487 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения мгновенной скорости вращения двигателей внутреннего сгорания, электродвигателей, различного рода вращающих валов и механизмов, а также для исследования динамических характеристик двигателей.

Известны различные типы преобразователей и устройств измерения скорости вращения, предназначенные для измерения скорости вращения на валу вращающего двигателя, принцип работы которых основан, например, на явлении электромагнитной индукции.

Известен датчик скорости вращения вала (патент РФ №2125730, 6, G 01 Р 3/488, 15.04.97), предназначенный для использования в контрольно-измерительной технике для измерения скорости вращения различного рода валов и механизмов. Датчик содержит индуктор в виде постоянного магнита и систему магнитопроводов, выполненных в виде перекрестно присоединенных к магниту двух стержней. Полюсные наконечники одного стержня расположены паралелльнно-встречно один другому и охвачены сигнальной обмоткой. Модулятор выполнен в виде зубчатого колеса с Z-образным профилем зубьев. При вращении модулирующего колеса относительно полюсных наконечников в стержне возникает переменный по направлению магнитный поток, меняющий свое направление в интервале времени, обратно пропорциональном числу полюсов модулятора. В сигнальной обмотке за счет изменения магнитного потока будут наводиться импульсы ЭДС положительной и отрицательной полярности.

Недостатком такого датчика являются невозможность определения мгновенной скорости и высокая технологическая сложность изготовления.

Известен датчик частоты вращения (патент РФ №2136003, 6, G 01 P 3/488, 15.04.97), предназначенный для преобразования частоты вращения вала в частоту электрических импульсов. Датчик содержит многополюсный магнит и компаратор магнитной индукции. Магнит выполнен в виде кольца из магнитотвердого материала и имеет радиально намагниченные разнополярные зоны. Чувствительный элемент расположен над окружной поверхностью магнита. Датчик снабжен концентратором магнитной индукции в виде изогнутой пластины из магнитомягкого материала. Одна часть пластины расположена над чувствительным элементом, а другая часть снабжена окном или пазом, охватывающим приводной вал. При вращении приводного вала возникает пульсирующий знакопеременный магнитный поток. На выходе компаратора генерируется импульсный сигнал высокого уровня при превышении рабочей магнитной индукции порога срабатывания компаратора. При снижении индукции ниже порога отпускания на выходе компаратора сигнал имеет низкий уровень. Частота выходных импульсов компаратора пропорциональна частоте вращения приводного вала датчика.

Недостатком данного устройства является невозможность определения мгновенной скорости вращения, т.к. по принципу действия оно предназначено для определения средней скорости вращения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является вышерассмотренный датчик для измерения скорости вращения, предназначенный для работы в комплексе с устройством преобразования времяимпульсного типа. Устройство преобразования времяимпульсного типа преобразует интервал времени между следующими друг за другом импульсами, поступающими на вход с индукционным первичным преобразователем (ИПП)-датчиком, в аналоговый сигнал, пропорциональный средней за период скорости вращения.

Основным недостатком данного устройства преобразования является невозможность определения мгновенной скорости вращения, а также сравнительно высокая сложность исполнения устройства преобразования, включающего такие электронные компоненты, как реверсивный счетчик, генератор опорной частоты, аналого-цифровой преобразователь и т.п.

Задачей настоящего изобретения является измерение мгновенного значения скорости вращения вала в заданном угловом секторе поворота и упрощение устройства в целом.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве используется ИПП, состоящий из постоянного магнита, жестко закрепленного на вращающемся валу, и сигнальной катушки, закрепленной на корпусе двигателя, или ИПП, состоящий из ферромагнитного сердечника, жестко закрепленного на вращающемся валу, и сигнального трансформатора, относительно которого перемещается этот сердечник, первичная обмотка которого запитана от источника постоянного тока, а вторичная обмотка является сигнальной, а также используется устройство преобразования сигнала ИПП, вырабатывающее на каждом обороте вала уровни напряжения, пропорциональные мгновенной скорости вращения вала в заданном круговом секторе вращения.

Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 приведена структурная схема устройства для измерения мгновенной скорости вращения; на фиг.2 приведен вариант функциональной схемы устройства с вращающимся постоянным магнитом; на фиг.3 приведен вариант функциональной схемы устройства с вращающимся ферромагнитным сердечником и сигнальным трансформатором; на фиг.4 приведен пример принципиальной схемы устройства запоминания амплитудных значений сигнала; на фиг.5 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства для измерения мгновенной скорости вращения; на фиг.6 представлен рисунок для пояснения доказательства пропорциональности амплитудного значения сигнала мгновенной скорости вращения вала; на фиг.7 представлен график изменения потокосцепления от изменения во времени угла поворота вала, поясняющий процесс формирования сигнала.

Обобщенная структурная схема устройств для определения скорости вращения представлена на фиг.1. Она включает в себя объект для измерения параметров А, индукционный первичный преобразователь В, устройство преобразования сигнала ИПП С. Объектами измерения являются двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели или различного рода вращающие валы и механизмы.

Первичный преобразователь представляет собой постоянный магнит, жестко закрепленный на вращающем валу, и сигнальную катушку, закрепленную неподвижно относительно вращающегося магнита, или ферромагнитный сердечник, жестко закрепленный на вращающемся валу, и сигнальный трансформатор, первичная обмотка которого запитана от источника постоянного тока, а вторичная обмотка является сигнальной.

Для того, чтобы получить возможность измерить мгновенную скорость на каждом обороте вращения вала первоначально следующая отрицательная полуволна импульса ЭДС, формируемого на катушке в момент приближения магнита, управляет процессом сброса выходного уровня аналогового запоминающего устройства, являющегося составной частью предложенного устройства, до минимального значения, а амплитудное значение следующей за ней положительной полуволны преобразуется с помощью аналогового запоминающего устройства в уровень выходного напряжения.

На фиг.2 приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство для измерения мгновенной скорости вращения содержит двигатель 1, на приводном валу которого расположен постоянный магнит индукционного первичного преобразователя 2, подключенного ко входу неинвертирующего усилителя 3 и инвертирующего усилителя 4, выход которого соединен со входом усилителя ограничителя 5. Устройство заряда запоминающего конденсатора 6, запоминающий конденсатор 7, диод 8, ограничивающее сопротивление 9, электронный ключ разряда конденсатора 10 составляют устройство запоминания амплитудных значений сигнала 11. Устройство запоминания амплитудных значений сигнала 11, электрическая схема которого показана на фиг.4, состоит из операционных усилителей DA1, DA2, диодов VD1, VD2, сопротивления 9, ограничивающего ток заряда запоминающего конденсатора 7, резистора R2 и электронного ключа разряда конденсатора 10, в состав которого входит полевой транзистор VT1 МДП-типа с индуцированным каналом n-типа, обладающим большим сопротивлением в закрытом состоянии. Выход усилителя ограничителя 5 через диод 8 подсоединен к управляющему входу электронного ключа разряда конденсатора 10.

Другой вариант исполнения индукционного первичного преобразователя показан на фиг.3. Индукционный первичный преобразователь включает вращающийся сердечник из магнитомягкого материала 12, который крепится на валу 1, генератор постоянного тока 13, сигнальный трансформатор Тр1 с первичной обмоткой W1 и вторичной (сигнальной) обмоткой W2, две катушки индуктивности, расположенные одна над другой, и сердечник Тр1. Принцип формирования сигнала в этом варианте ИПП основан на изменении магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой сигнального трансформатора Тр1, запитанной от источника постоянного тока. ЭДС, наводимая на сигнальной обмотке W2 этого трансформатора, при перемещении сердечника 12 относительно обмотки W1, возбуждающей магнитное поле, будет также, как в варианте с постоянным магнитом, пропорциональна скорости изменения потокосцепления этой обмотки при входе и выходе из зоны магнитного поля первичной обмотки вращающегося ферромагнитного тела, укрепленного на валу двигателя. Чтобы исключить влияние вихревых токов на процесс формирования сигнала, разомкнутый сердечник сигнального трансформатора Тр1 и ферромагнитное тело должны быть выполнены из феррита или листовой электротехнической стали.)

Устройство для измерения мгновенной скорости вращения работает следующим образом. При вращении постоянного магнита относительно сигнальной катушки W_с (фиг.2), закрепленной на корпусе двигателя, на катушке индуцируются разнополярные импульсы ЭДС, показанные на фиг.5, 6. Временная форма этих импульсов зависит от скорости вращения, пространственного распределения магнитного поля, от геометрии сигнальной катушки, от взаимного расположения магнита и катушки и имеет сложную форму. В связи с тем, что приращение потокосцепления катушки при приближении магнита к катушке и удалении от нее имеют одинаковые по величине и противоположные по знаку значения, независимые от скорости вращения, вольт-секундная площадь положительного и отрицательного импульса ЭДС имеет также одно и тоже значение. Для определения мгновенной скорости вращения необходимо преобразовать амплитудные значения импульсов ЭДС сигнала в аналоговый уровень напряжения (ниже будет показано, что амплитудное значение сигнала пропорционально мгновенной скорости вращения при прохождении магнитом заданного углового сектора поворота). Сигнал, снимаемый с сигнальной катушки W_с ИПП, подается одновременно на вход двух операционных усилителей 3, 4. С выхода неинвертирующего усилителя 3 сигнал поступает на вход устройства запоминания амплитудных значений сигнала 11. С выхода инвертирующего усилителя 4 сигнал поступает на вход усилителя - ограничителя 5, где преобразуется в сигнал прямоугольной формы с постоянной амплитудой и управляет электронным ключом разряда конденсатора 7 запоминающего устройства. Диод 8 необходим для получения управляющих импульсов положительной полярности, поступающих на вход электронного ключа 10, предназначенного для разряда конденсатора 7.

Устройство запоминания амплитудных значений сигнала, показанное на фиг.4, работает следующим образом. На вход ОУ DA1 первой поступает отрицательная полуволна сигнала и одновременно с ней на вход ключа разряда конденсатора 10 через диод 8 поступает положительный импульс, под действием которого транзистор VT1 открывается и происходит быстрый разряд конденсатора 7 через достаточно малое ограничивающее сопротивление 9 до минимального значения. В течение этого времени на выходе DA1 действует уровень напряжения отрицательной полярности, по величине практически равный напряжению питания ОУ DA1. В результате заряд конденсатора 7 не происходит. В момент появления положительной полуволны сигнала на выходе ОУ DA1 появляется положительное напряжение, близкое по величине к напряжению питания ОУ DA1, т.к. на его инвертирующем входе действует низкий уровень напряжения, поступающий с выхода повторителя напряжения, реализованного на ОУ DA2, на входе которого действует напряжение, равное напряжению на запоминающем конденсаторе 7. Под действием высокого уровня напряжения на выходе ОУ DA1 происходит заряд конденсатора 7 таким образом, что разность напряжений между входами ОУ DA1 стремится к нулю из-за действия отрицательной обратной связи до тех пор, пока сигнал u₁(t) не достигнет амплитудного значения. После понижения мгновенного значения входного сигнала u₁(t) процесс заряда конденсатора 7 прекращается, т.к. на выходе DA1 снова появляется отрицательное напряжение. В связи с этим на конденсаторе 7 запоминается амплитудное значение сигнала, пропорциональное, как показано ниже, мгновенной скорости вращения вала при прохождении заданного кругового сектора. Разряд конденсатора 7 через вход DA2 невозможен из-за большого входного сопротивления ОУ DA2 с входным каскадом на полевых транзисторах, а разряд через VD2 невозможен из-за того, что на аноде и катоде VD2 действует одно и тоже по величине напряжение. Поэтому напряжение на конденсаторе 7 остается неизменным до прихода следующего сигнала. На фиг.5д показана кривая выходного сигнала в процессе изменения скорости вращения вала (график изменения скорости вращения показан на фиг.5а).

Покажем, что амплитудное значение аналогового сигнала на выходе электронного устройства преобразования пропорционально скорости вращения вала двигателя. Для этого рассмотрим схему фиг.6, на которой показано круговое движение постоянного магнита относительно сигнальной катушки. При перемещении постоянного магнита относительно этой катушки индуцируется ЭДС.

e(t) - электродвижущая сила в катушке индуктивности пропорциональна изменению потокосцепления Ψ во времени;

Ψ - потокосцепление сигнальной катушки, создаваемое постоянным магнитом.

Выразим через малые приращения угла поворота dα и время dt угловую скорость вращения ω

После преобразования (2) и подстановки в (1) получим:

Из (3) следует, что в тот момент времени, когда будет индуцироваться амплитудное значение ЭДС е_мах, пропорциональное мгновенной скорости вращения.

Следовательно, преобразуя амплитудное значение ЭДС сигнала в уровень напряжения, получаем информацию о мгновенной скорости вращения и о прохождении валом угла α=α_кр+πn (n - число оборотов вала). Величина dψ/dα, для выбранной конструкции является постоянной и зависит от физических свойств и размеров магнита, катушки, числа витков и определяется экспериментально, т.е. e_мax=const·ω.

Аналогично можно показать связь амплитудного значения сигнала с мгновенной скоростью вращения при движении ферромагнитного сердечника относительно сигнального трансформатора Тр1.

Из описания работы предлагаемого устройства для измерения мгновенной скорости следует, что благодаря тому, что одна полуволна формируемого индукционным преобразователем двуполярного сигнала используется для управления устройством запоминания амплитудного значения сигнала, входящего в состав устройства для измерения мгновенных значений сигнала, через инвертирующий усилитель, усилитель-ограничитель и диод, решается задача измерения простыми техническими средствами мгновенной скорости вращения при прохождении магнитом заданного кругового сектора вращения на каждом обороте, что дает в отличие от других устройств, исследовать динамику работы объекта измерения.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения мгновенной скорости вращения двигателей внутреннего сгорания, электродвигателей, различного рода вращающих валов и механизмов, а также для исследования динамических характеристик двигателей. Сущность: в устройстве используется индукционный первичный преобразователь (ИПП), состоящий из постоянного магнита, жестко закрепленного на вращающемся валу, и сигнальной катушки, закрепленной на корпусе двигателя, или ИПП, состоящий из ферромагнитного сердечника, жестко закрепленного на вращающемся валу, и сигнального трансформатора, относительно которого перемещается этот сердечник, первичная обмотка которого запитана от источника постоянного тока, а вторичная обмотка является сигнальной, и устройства преобразования сигнала ИПП, вырабатывающего на каждом обороте вала уровни напряжения, пропорциональные мгновенной скорости вращения вала в заданном круговом секторе вращения. Для измерения мгновенной скорости на каждом обороте вращения вала первоначально следующая отрицательная полуволна импульса ЭДС, формируемого на катушке в момент приближения магнита, управляет процессом сброса выходного уровня аналогового запоминающего устройства до минимального значения, а амплитудное значение следующей за ней положительной полуволны преобразуется с помощью аналогового запоминающего устройства в уровень выходного напряжения. Техническим результатом является измерение мгновенного значения скорости вращения вала в заданном угловом секторе поворота и упрощение устройства в целом. 7 ил.

Устройство для измерения мгновенной скорости, содержащее индукционный первичный преобразователь (ИПП), к выходу которого подключено устройство преобразования сигнала ИПП, отличающееся тем, что в состав устройства преобразования сигнала ИПП введены инвертирующий и неинвертирующий операционный усилители, входы которых соединены с выходом ИПП, при этом выход неинвертирующего усилителя соединен с основным входом устройства запоминания амплитудного значения сигнала, а выход инвертирующего усилителя подключен ко входу усилителя-ограничителя, выход которого через диод соединен с управляющим входом электронного ключа разряда конденсатора устройства запоминания амплитудных значений сигнала.