ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛОВОГО УСКОРЕНИЯ ВАЛА Российский патент 2006 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.св. №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. 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 увеличить точность преобразования, быстродействие, значительно упростить преобразование и уменьшить габариты. Это достигается путем использования скоростных свойств цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) и конструктивных особенностей реализации схемных решений.

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»):

E=C·(1/t₂-1/t₁),

где Е - угловое ускорение вала;

С - угловая скорость домена ω_д;

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

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

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 также 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: вал (1), ферромагнитный диск ФД (2), ЦМД1 (3), ЦМД2 (4), детекторы Д1 (5) и Д2 (6), доменно-продвигающие структуры ДПС (7), кронштейны К1 (8) и К2 (9), узел вращающегося магнитного поля УВП (10), генератор Г (11), элемент «задержка» (12), триггеры Т1 (13) и Т2 (14), счетчик импульсов ST (15), делитель (16), регистры RG1 (17) и RG2 (18), вычитатель «-∑» (19), шина "выход" (20) и шина синхронизации (21).

ЦМД1 (3) и ЦМД2 (4) располагаются на ФД (2), жестко связанном с неподвижной частью измерителя, а детекторы ЦМД Д1 (5) и Д2 (6) на кронштейнах К1 (8) и К2 (9), жестко связанных с валом измерителя. Траектория, по которой перемещаются ЦМД, определяется ДПС (7), которая располагается на концентрической по отношению к валу окружности. Выход детектора D1 (5) соединен с входом 1 счетчика ST (15) и через элемент "Задержка" (12) с входом 1 триггера Т1 (13). Выход детектора D2 (6) подключен к входу 2 триггера Т1 (13) и входу 2 делителя «1/N» (16), вход 1 которого соединен с выходом счетчика ST (15). Выход 1 делителя соединен с входом 1 RG1 (17) и входом 1 вычитателя (19). Вход 2 вычитателя (19) подключен к выходу регистра RG1 (17), а выход 2 через регистр RG2 (18) - к выходной шине (20). Выход 1 вычитателя (19) соединен с входом 1 регистра RG2 (18), с шиной синхронизации (21) и входом 2 триггера Т2 (14). Вход 1 триггера Т2 (14) подключен к выходу 2 делителя (16), а выходы его соединены соответственно 2 с входом 2 RG1 (17), 1 - с входом 3 вычитателя (19). Выход генератора (11) подключен к УВП (10) и ко входу 3 счетчика ST (15), вход 2 которого соединен с выходом триггера Т1 (13).

Измеритель углового ускорения работает следующим образом.

На ферромагнитном диске, жестко связанном с неподвижной частью измерителя, созданы ЦМД1 и ЦМД2, расположенные на окружности концентричной оси вала. Угловое расстояние между ЦМД постоянно и равно углу ϕ₁, a угол между детекторами равен ϕ_с. После включения устройства, под действием доменно-продвигающих структур, управляемых вращающимся 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 ЦМД1 проходит возле детектора Д1, последний вырабатывает импульс тока, который сбрасывает счетчик ST (15) в нулевое состояние и далее, через элемент «задержка» (12) на вход 1 триггера Т1 (13), выход которого воздействует на вход 2 счетчика ST (15), открывая через его вход 3 следование импульсов генератора в счетчик. Начинается счет импульсов, определяющих время t₁ прохождения ЦМД между детекторами.

Продолжая движение, ЦМД1 достигает второй детектор Д2, который выдает импульс тока. Этот импульс подается на вход 2 триггера Т1 (13) и прекращает подачу импульсов генератора Г (11) в пересчетную схему. Количество импульсов, подсчитанных счетчиком ST (15), определяет время t₁. Импульс от Д2 воздействует на делитель (16), открывая вход сигнала (t₁) с выхода счетчика на делитель.

Делитель осуществляет операцию деления 1/N (где N=t₁) и выдает результат на вход 1 регистра RG1 (17) и на вход 1 вычитателя (19). Выход 2 делителя (16) воздействует на счетный вход 1 триггера Т2 (14), выход 2 которого воздействует на вход 2 регистра RG1 (17), и он выдает информацию (1/t₁) на вход 2 вычитателя (19). Далее, когда ЦМД2 достигает детектора Д1, то появляется импульс на его выходе. После этого осуществляется переработка сигнала аналогично сигналу от ЦМД1. В результате появляется сигнал на втором входе в виде кода N2 (N2=1/t₂) вычитателя и осуществляется операция вычитания, по окончании которой код соответствующий ускорению подается на выходной регистр, а сигнал со второго выхода вычитателя разрешает выдачу информации об угловом ускорении на выходную шину, переводит триггер Т2 (14) в исходное положение и выдает сигнал синхронизации (21).

Таким образом одновременно с сигналом синхронизации на шине (20) выставляется значение углового ускорения, вычисленного по вышеприведенной формуле.

Источники информации

а) В.П.Миловзоров. Электромагнитные устройства автоматики. М., «Высшая школа», 1983 г., стр.293-321.

б) Bobeck A.H. Properties and device applications of magnetic domains iorthoferrities //Bell System Techn.J. - 1967 - 46 №10 - р.1901-1925.

в) В.С.Подлипенский, В.H.Петренко. Электромагнитные и электромашинные устройства автоматики. Киев. Головное издательство издательского объединения «Вища школа». 1987. стр.209-227.

г) Т.О'Делл. Ферромагнитодинамика. Динамика ЦМД, доменов и доменных стенок. М., «Мир». 1983.

д) Г.И.Катенко. Магниторезисторы изд. «Энергия», Ленинградское отделение, 1972.

е) В.Г.Барьяхтар, Ю.И.Горобец. Цилиндрические магнитные домены и их решетки. Киев, «Наукова думка», 1988 г.

Изобретение относится к области измерения параметров вращения вала 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 два ЦМД, разнесенные на угол ϕ₁, которые с помощью доменопродвигающих структур вращаются коаксиально валу с гловой скоростью ω_д. Жестко с валом связаны детекторы ЦМД Д1 и Д2, разнесенные на угол ϕ_с. Угловое ускорение определяется по формуле E=C·(1/t₂-1/t₁), где Е - угловое ускорение вала, С - угловая скорость домена ω_д, 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 делителя и вычитателя. Высокая точность измерения и быстродействие измерителя достигается за счет малых размеров ЦМД и высокой скорости их продвижения. 1 ил.

Измеритель углового ускорения вала, содержащий вал, генератор, первый триггер, первый регистр, делитель частоты, отличающийся тем, что в него введены магнитоодноосный ферромагнитный диск, жестко связанный с неподвижной частью измерителя, узел вращающегося магнитного поля, доменопродвигающая структура на ферромагнитном диске, которая расположена на концентрической окружности по отношению к валу, первый и второй цилиндрические магнитные домены, расположенные на траектории доменопродвигающей структуры, первый и второй детекторы цилиндрических магнитных доменов на кронштейнах, жестко связанных с валом, счетчик импульсов, второй триггер, второй регистр, вычитатель, шина «выход», шина синхронизации и элемент «задержка», вход которого соединен с первым детектором цилиндрических магнитных доменов и первым входом счетчика импульсов, а выход - с первым входом первого триггера, второй вход которого подключен ко второму детектору ЦМД и второму входу делителя, первый вход которого соединен с выходом счетчика, а первый выход - с первым входом вычитателя и через первый регистр - с вторым входом вычитателя, второй выход которого подключен к второму входу второго регистра, выход которого соединен с шиной «выход», а первый вход - с первым выходом вычитателя, с шиной синхронизации и со вторым входом второго триггера, второй и первый выходы которого подключены соответственно ко второму входу первого регистра и третьему входу вычитателя, а первый вход - ко второму выходу делителя, причем выход генератора соединен с узлом вращающегося магнитного поля и с третьим входом счетчика, второй вход которого подключен к выходу первого триггера.