ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВОГО УСКОРЕНИЯ ВАЛА Российский патент 2005 года по МПК G01P15/105 

Предлагаемое 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 преобразователь 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 устройства 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 устройства является малая точность, малое быстродействие и большие габариты вследствие большой сложности преобразования и использования фазовращателей (вращающихся трансформаторов и др.)

Известен преобразователь углового ускорения [А.С. 1101740, СССР] с использованием фазовращателей и электрической редукции частоты, благодаря чему погрешность уменьшается. Но по-прежнему велики габариты, погрешность и мало быстродействие. Устройство еще более усложняется.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является преобразователь углового ускорения в код, описанный в книге (В.Г.Домрачева и др. “Схемотехника цифровых преобразователей”. М.: Энергоиздат, 1987, стр.145).

Суть работы этого устройства 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 нуль-орган и далее на триггер, с выхода которого на формирователь узких импульсов, на первый накапливающий сумматор и на первый вход регистра формирования 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 второго накапливающего сумматора, с выхода двоичного накапливающего сумматора сигнал подается на второй вход регистра, выдающего код углового ускорения.

Недостатками этого устройства 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 измерителя углового ускорения вала, позволяющего значительно увеличить точность преобразования, быстродействие и уменьшить габариты. Это достигается путем использования скоростных свойств цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) и конструктивных особенностей реализаций схемных решений. Признаки прототипа, общие с заявляемым техническим решением, следующие: вал, генератор, первый триггер, первый регистр, первый делитель частоты и блок управления.

Для обеспечения технического результата измеритель углового ускорения вала содержит вал, генератор, первый триггер, первый регистр, первый делитель частоты, блок управления, магнитоодноосный ферромагнитный диск, жестко связанный с неподвижной частью измерителя, узел вращающегося магнитного поля, доменнопродвигающую структуру на ферромагнитном диске, которая расположена на концентрической окружности по отношению к валу, n пар цилиндрических магнитных доменов, расположенных на траектории доменно-продвигающей структуры, n пар генераторов цилиндрических магнитных доменов, второй делитель, первый и второй детекторы цилиндрических магнитных доменов на кронштейнах, жестко связанных с валом, счетчик импульсов, второй триггер, второй регистр, первый элемент “задержка”, вычитатель, шину “Выход”, шину “Синхронизация”, второй элемент “задержка”, при этом блок управления соединен с n парами генераторов цилиндрических магнитных доменов, а выход первого детектора соединен со входом первого элемента “задержка” и первым входом счетчика, выход второго детектора соединен со вторым входом первого триггера и вторым входом первого делителя, выход генератора соединен со входом узла вращающегося магнитного поля и третьим входом счетчика, выход первого элемента “задержка” соединен с первым входом первого триггера, а выход последнего соединен со вторым входом счетчика, первый выход второго триггера соединен с третьим входом вычитателя и вторым входом второго регистра, а второй выход второго триггера соединен со вторым входом первого регистра, выход счетчика соединен с первым входом первого делителя и с первым входом второго регистра, первый выход первого делителя соединен с первым входом первого регистра и первым входом вычитателя, второй выход первого делителя соединен с первым входом второго триггера, выход первого регистра соединен со вторым входом вычитателя, выход второго регистра соединен со вторым входом второго делителя, первый выход вычитателя соединен с четвертым входом второго делителя, вторым входом второго триггера, входом второго элемента “задержка” и шиной “Синхронизация”, а второй выход вычитателя соединен с первым входом второго делителя, выход второго элемента “задержка” соединен с третьим входом второго делителя и третьим входом второго регистра, а выход второго делителя соединен с шиной “Выход”.

Суть изобретения заключается в создании на ферромагнитном диске с пленкой магнитоодноосного ферромагнетика цилиндрических магнитных доменов, которые вращаются вокруг вала со скоростью ω_д, определяемой скоростью вращения вектора внешнего магнитного поля ω_вп, которая существенно выше скорости вала. Микроэлектронные детекторы ЦМД обнаруживают их и позволяют измерять интервалы времени прохождения ЦМД между двумя детекторами. Обратные величины значений этих интервалов определяют значения угловых ускорений по формуле (в соответствии с патентом авторов №2137296 от 10.09.99 г. “Способ измерения углового ускорения вала”):

где Е - угловое ускорение вала;

ϕ_с - постоянный угол между детекторами ЦМД;

t₁ - время продвижения ЦМД1 между детекторами ЦМД Д1 и Д2:

t₁=N₁, где N₁ - число импульсов генератора Г (11);

t₂ - время продвижения ЦМД2 между детекторами ЦМД Д1 и Д2:

t₂=N₂, где N₂ - число импульсов генератора Г (11).

Значение ϕ_с выбирается равным 1 или 10ⁿ, где n - целое число. При этом формула (1) примет вид:

где

Технический результат достигается за счет отсутствия аналоговых преобразователей, простоты устройства, 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.

Схема измерителя углового ускорения в код представлена на чертеже.

Она содержит следующие элементы:

1 - детектор ЦМД Д1; 2 - элемент “задержка”; 3 - счетчик импульсов; 4 - детектор ЦМД Д2; 5 - триггер; 6 - делитель 1/N; 7 - блок управления (БУ); 8 - генератор Г; 9 - узел вращающегося магнитного поля (УВП); 10 - триггер; 11 - вычитатель; 13, 12 - первый и второй регистры, соответственно; 14 - делитель m/N₂; 15 - элемент “задержка”; 16 - шина “Синхронизация”; 17 - шина "Выход"; 18 - вал; 19 - ферромагнитный диск (ФД), жестко связанный с неподвижной частью измерителя; 20, 21 - одна пара (ЦМД_1i, ЦМД_2i) из n пар ЦМД: (ЦМД₁₁, ЦМД₂₁), ..., (ЦМД_1i, ЦМД_2i), ..., (ЦМД_1n, ЦМД_2n); 22 - доменно-продвигающая структура ДПС; 23, 24 - кронштейны; 25, 26 - одна пара (Г_1i, Г_2i) из n пар генераторов доменов: (Г₁₁, Г₂₁, ..., (Г_1i, Г_2i, ..., (Г_1n, Г_2n).

Пары ЦМД располагаются на диске 19, жестко связанном с неподвижной частью измерителя, а детекторы ЦМД 1 и 4 - на кронштейнах 23 и 24, жестко связанных с валом измерителя. Траектория, по которой перемещаются ЦМД, определяется ДПС 22, которая располагается на концентрической по отношению к валу окружности.

Элементы измерителя углового ускорения соединены между собой следующим образом: выход детектора 1 соединен со входом элемента “задержка” 2 и первым входом счетчика 3, а выход детектора 4 подключен ко второму входу триггера 5 и второму входу делителя 6. Блок управления 7 связан с генераторами ЦМД; генератор 8 соединен со входом узла вращающегося магнитного поля 9 и третьим входом счетчика 3, выход элемента “задержка” 2 соединен с первым входом триггера 5, а его выход подключен ко второму входу счетчика 3. Первый выход триггера 10 соединен с третьим входом вычитателя 11 и вторым входом второго регистра 12, а второй выход триггера 10 соединен со вторым входом первого регистра 13. Выход счетчика 3 соединен с первым входом делителя 6 и с первым входом второго регистра 12; первый выход делителя 6 соединен с первым входом первого регистра 13 и первым входом вычитателя 11, а второй выход делителя 6 соединен с первым входом триггера 10. Выход первого регистра 13 соединен со вторым входом вычитателя 11, а выход второго регистра 12 соединен со вторым входом делителя 14; первый выход вычитателя 11 соединен с четвертым входом делителя 14, со вторым входом триггера 10, входом элемента “задержка” 15 и шиной “Синхронизация” 16 и второй выход вычитателя 11 соединен с первым входом делителя 14. Выход элемента “задержка” 15 соединен с третьим входом делителя 14 и третьим входом регистра 12 и выход делителя 14 соединен с шиной “Выход” 17.

Измеритель углового ускорения работает следующим образом.

При включении питания БУ (7) создает импульс тока, который, воздействуя на n пар генераторов ЦМД (25, 26), предварительно аннигилирует прежние ЦМД, а затем создает n пар магнитных доменов (ЦМД₁₁, ЦМД₂₁), ..., (ЦМД_1i, ЦМД_2i), ..., (ЦМД_1n, ЦМД_2n), расположенных на окружности концентричной оси вала. Каждая пара доменов обеспечивает одно значение измеряемого ускорения за время ее полного оборота вокруг оси вала. Угловое расстояние между ЦМД постоянно и равно углу ϕ, а угол между детекторами ЦМД Д1 и Д2 равен ϕ_с, причем должно соблюдаться условие: ϕ>ϕ_с.

После включения устройства, под действием доменно-продвигающих структур, управляемых переменным электромагнитным полем (см. книгу В.П.Миловзорова. Электромагнитные устройства автоматики. М.: “Высшая школа”, 1983 г., стр.239-321), ЦМД перемещаются по окружности относительно вала со скоростью, которая существенно выше максимальной скорости вращения вала. При этом они вращаются относительно детекторов ЦМД, которые жестко связаны с валом.

Когда первый домен из пары (ЦМД1_i) проходит под детектором 1, последний вырабатывает импульс тока, который сбрасывает счетчик 3 в нулевое положение и далее через элемент “Задержка” 2 поступает на вход 1 триггера 5, выход его воздействует на вход 2 счетчика 3, открывая через его вход 3 прохождение импульсов генератора 8 в счетчик. Начинается счет импульсов, определяющих время t₁, прохождения ЦМД между детекторами.

Продолжая движение, ЦМД1_i достигает второго детектора 4, который выдает импульс тока. Этот импульс сбрасывает через вход 2 триггер 5, тем самым прекращая подачу импульсов генератора 8 в пересчетную схему. Количество импульсов, подсчитанных счетчиком 3, определяет время t₁. Импульс от детектора 4 воздействует на делитель 6, открывая вход сигнала (t₁) с выхода счетчика на делитель.

Делитель 6 осуществляет операцию деления 1/N (где N=t₁) и выдает результат на вход 1 первого регистра 13 и на вход 1 вычитателя 11. Выход 2 делителя 6 воздействует на счетный вход 1 триггера 10, выход 2 которого воздействует на вход 2 первого регистра 13, и он выдает информацию 1/N₁=1/t₁ на вход 2 вычитателя 11. Далее, когда домен ЦМД2_i достигает детектора 1, то появляется импульс на его выходе. После этого осуществляется переработка сигнала аналогично сигналу от ЦМД1_i, на входе 1 вычитателя 1 появляется код 1/N₂=1/t₂ и осуществляется операция вычитания: m=(1/t₂-1/t₁), результат которой с выхода 2 вычитателя 11 подается на вход 1 делителя 14.

Помимо этого, сигнал с выхода счетчика 3 подается на вход 1 второго регистра 12, а с выхода 1 триггера 10 поступает сигнал на вход 2 второго регистра 12, что вызывает появление на его выходе кода сигнала N₂=t₂, который подается на вход 2 делителя 14.

Сигнал с выхода 1 вычитателя 11: разрешает выдачу кода “m” в делитель 14 по его входу 4; переводит по входу 2 триггер 10 в исходное положение; через элемент “Задержка” 15 сбрасывает в исходное положение второго регистра 12 и делитель 14; формирует сигнал “Синхронизация” 16. Делитель 14 осуществляет операцию деления m/N₂ и на шине “Выход” 17 появляется код, соответствующий угловому ускорению вала. Процесс измерения углового ускорения последующими парами ЦМД осуществляется аналогично.

Таким образом, за полный оборот всех пар ЦМД вокруг оси вала на выходе устройства формируются n отсчетов. Это обеспечивает увеличение быстродействия в n раз и снижение динамической погрешности.

Источники информации

1. В.П.Миловзоров. Электромагнитные устройства автоматики. М.: “Высшая школа”, 1983 г., с.293-321.

2. Bobeck A.H. Properties and device applications of magnetic domains iorthoferrities// Bell System Techn.J. – 1967 - 46, №10 - p.1901-1925.

3. В.С.Подлипенский, В.H.Петренко. Электромагнитные и электромашинные устройства автоматики. Киев. Головное издательство издательского объединения “Вища школа”. 1987, с.209-227.

4. Т.O’Делл. Ферромагнитодинамика. Динамика ЦМД, доменов и доменных стенок. М.: “Мир”. 1983.

5. Г.И.Катенко. Магниторезисторы. Изд. “Энергия”, Ленинградское отделение, 1972.

6. В.Г.Барьяхтар, Ю.И.Горобец. Цилиндрические магнитные домены и их решетки. Киев, “Наукова думка”, 1988 г.

Изобретение относится к области измерения параметров вращения и может быть использовано в системах автоматического управления. Измеритель построен на базе техники цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) и микроэлектроники. Ферромагнитный диск с пленкой одноосного намагничивания содержит несколько пар ЦМД, разнесенных на угол ϕ, которые с помощью доменопродвигающих структур вращаются коаксиально валу с угловой скоростью ω_д. Жестко с валом связаны детекторы ЦМД Д1 и Д2, разнесенные на угол ϕ_с. Угловое ускорение определяется по формуле: ; ϕ_с=10ⁿ, где n - целое число, Е - угловое ускорение вала, t₁ - время продвижения ЦМД1 между детекторами Д1 и Д2, t₂ - время продвижения ЦМД2 между детекторами Д1 и Д2. Значения t₁ и t₂ определяются с помощью генератора импульсов, счетчика импульсов, а операции деления и вычитания с помощью делителей и вычитателя. Техническим результатом является повышение точности и быстродействия преобразования и уменьшения габаритов. 1 ил.

Измеритель углового ускорения вала, содержащий вал, генератор, первый триггер, первый регистр, первый делитель частоты, блок управления, отличающийся тем, что в него введены магнитоодноосный ферромагнитный диск, жестко связанный с неподвижной частью измерителя, узел вращающегося магнитного поля, доменнопродвигающая структура на ферромагнитном диске, которая расположена на концентрической окружности по отношению к валу, n пар цилиндрических магнитных доменов, расположенных на траектории доменнопродвигающей структуры, n пар генераторов цилиндрических магнитных доменов, второй делитель, первый и второй детекторы цилиндрических магнитных доменов на кронштейнах, жестко связанных с валом, счетчик импульсов, второй триггер, второй регистр, первый элемент "задержка", вычитатель, шина "Выход", шина "Синхронизация", второй элемент "задержка", при этом блок управления соединен с n парами генераторов цилиндрических магнитных доменов, а выход первого детектора соединен со входом первого элемента "задержка" и первым входом счетчика, выход второго детектора соединен со вторым входом первого триггера и вторым входом первого делителя, выход генератора соединен со входом узла вращающегося магнитного поля и третьим входом счетчика, выход первого элемента "задержка" соединен с первым входом первого триггера, а выход последнего соединен со вторым входом счетчика, первый выход второго триггера соединен с третьим входом вычитателя и вторым входом второго регистра, а второй выход второго триггера соединен со вторым входом первого регистра, выход счетчика соединен с первым входом первого делителя и с первым входом второго регистра, первый выход первого делителя соединен с первым входом первого регистра и первым входом вычитателя, второй выход первого делителя соединен с первым входом второго триггера, выход первого регистра соединен со вторым входом вычитателя, выход второго регистра соединен со вторым входом второго делителя, первый выход вычитателя соединен с четвертым входом второго делителя, вторым входом второго триггера, входом второго элемента "задержка" и шиной "Синхронизация", а второй выход вычитателя соединен с первым входом второго делителя, выход второго элемента "задержка" соединен с третьим входом второго делителя и третьим входом второго регистра, а выход второго делителя соединен с шиной "Выход".