ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ ИЗ СИГНАЛОВ ИНДУКЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H03K5/153 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического измерения, управления и аварийной защиты, в состав которых входят датчики, вырабатывающие импульсные сигналы, в частности индукционные датчики частоты вращения и расхода.

Известно устройство [1], которое формирует импульсы из однополярных сигналов датчиков, причем величина порога формирования каждого импульса определяется амплитудой предшествующего ему сигнала.

Рассматриваемое устройство-аналог содержит по два амплитудных детектора, резисторных делителей напряжения, компаратора, ключа, элемента ИЛИ-НЕ, триггер, элементы И-НЕ и ИЛИ.

Существенным недостатком этого устройства является то, что оно не позволяет формировать импульсы в широком диапазоне амплитуды входных сигналов, так как понижение порога, необходимое для сигналов низкого уровня, уменьшает помехоустойчивость устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достижимому положительному эффекту является принятое за прототип устройство [2], в котором измеряется вольт-секундная площадь S₂ отрицательной полуволны каждого сигнала индукционного датчика частоты вращения и в процессе измерения сравниваются получаемые величины S₂ с пороговым значением S_пор1=Q·S_1к, равным части вольт-секундной площади S_1к аналогичной полуволны предыдущего сигнала датчика. Требуемый импульс формируется при выполнении условий S_1к>S_пр.min, S₂>S_пор1,

где S_пр.min - предельная минимальная допустимая величина вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов датчика.

В состав устройства-прототипа (фиг.1) входят первый 1, второй 7 и третий 10 пороговые элементы, первый 2, второй 8 и третий 14 ключи, интегратор 3, амплитудный детектор 4, первый 5 и второй 6 резисторы, схема И 11, одновибраторы 12,15 и конденсатор 13.

Существенными недостатками рассматриваемого устройства являются низкая надежность и помехоустойчивость, что обусловлено следующим.

В устройстве-прототипе интегратор 3 осуществляет измерение вольт-секундных площадей S исследуемых полуволн сигналов. При этом на выходе интегратора 3 вырабатывается напряжение u(3), величина которого пропорциональна вольт-секундной площади S, а на конденсаторе С(4-3) амплитудного детектора 4 происходит запоминание этого напряжения (фиг.2).

Допустим, что в процессе работы устройства-прототипа на конденсаторе С(4-3) запомнилось напряжение u₁(4), а на выходе резисторного делителя напряжения, состоящего из резисторов 5 и 6, выработалось пороговое напряжение u_пор1(10), определяющее порог включения элемента 10 и эквивалентное порогу S_пор1.

При поступлении отрицательной полуволны следующего сигнала е_с2 на выходе интегратора 3 будет вырабатываться напряжение u₂(3), пропорциональное вольт-секундной площади S₂ этой полуволны. В момент достижения напряжением u₂(3) величины u_пор1(10) на выходе порогового элемента 10 появится импульс u₂(10) с длительностью, равной времени, в течение которого напряжение u₂(3) интегратора 3 будет превышать пороговое напряжение u_пор1(10).

На переднем фронте импульса u₂(10) будет запущен одновибратор 12, сигнал которого u₂(12) откроет ключ 8, и произойдет подразряд конденсатора С(4-3). На заднем фронте импульса u₂(10) будет запущен одновибратор 15 и откроется ключ 14, в результате чего произойдет разряд конденсатора 13.

По окончании сигнала e_c2 на выходе резисторного делителя установится пороговое напряжение u_пор2(10), эквивалентное порогу S_пор2.

Если в последующем на вход устройства-прототипа поступит сигнал е_сз, вольт-секундная площадь S₃ которого чуть-чуть превышает порог S_пор2, что вполне возможно, то на выходе порогового элемента 10 будет выработан весьма короткий импульс u₃(10).

На переднем и заднем фронтах этого короткого импульса будут запущены одновибраторы 12 и 15. Так как в данном случае длительность импульсов одновибраторов 12 и 15 значительно превышает длительность импульса u₃(10), то в течение времени τ_р будут одновременно действовать импульсы одновибраторов 12 и 15, открывающие ключи 8 и 14.

При этом произойдет разряд конденсатора С(4-3) амплитудного детектора 4 через открытые ключи 8 и 14 током I_р (фиг.2). Величина этого тока будет недопустимо большой, так как она определяется малым сопротивлением открытых ключей 8 и 14. Напряжение на конденсаторе С(4-3) и, следовательно, порог U_пор3(10) формирования требуемых импульсов снизятся практически до 0 В.

В рассматриваемом случае порогом формирования очередного импульса станет порог включения элемента 7 u_вкл(7), эквивалентный порогу S_пр.min, а конденсатор С(4-3) амплитудного детектора 4 при работе устройства на высокой частоте заданного диапазона не успеет зарядиться от 0 В до максимального значения напряжения на выходе интегратора 3, эквивалентного площади очередного импульса. Поэтому периоды повторения очередного сформированного импульса и следующего за ним импульса будут существенно отличаться от периодов следования соответствующих сигналов е_с датчика, что равнозначно сбою в работе устройства-прототипа.

В устройстве-прототипе используется сравнительно сложная схема подразряда конденсатора С(4-3) амплитудного детектора 4: она требует двух одновибраторов, двух ключей, конденсатора 13 и цикл ее работы состоит из двух тактов - такта подразяда конденсатора С(4-3) и такта разряда конденсатора 13.

Кроме того, в устройстве-прототипе длительность формируемых импульсов u(11) имеет переменную величину, минимальное значение которой равно 0 сек, что приводит к необходимости усложнения последующей схемы, принимающей такие импульсы.

Перечисленные выше недостатки приводят к понижению надежности устройства-прототипа.

Низкая помехоустойчивость устройства-прототипа обусловлена тем, что в нем порог включения элемента 1 u_вкл(1) составляет всего несколько милливольт. При наличии даже небольших низкочастотных помех в рассматриваемом устройстве могут произойти неуправляемые переключения элемента 1 и в конечном счете формирование ложных импульсов.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении надежности и помехоустойчивости формирователя импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения.

Для достижения указанного результата в формирователе импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, содержащем интегратор, амплитудный детектор, три пороговых элемента, два ключа, элемент И, одновибратор и два резистора, причем вход формирователя соединен с входом интегратора и через первый пороговый элемент - с управляющим входом первого ключа, выходы которого соединены с входами интегратора, подключенными к выводам конденсатора интегратора, выход интегратора соединен с первым входом третьего порогового элемента и входом амплитудного детектора, выход которого подключен к входу второго порогового элемента, первому выходу второго ключа и через первый резистор - к второму входу третьего порогового элемента и первому выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к общей шине, выход третьего порогового элемента соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу второго порогового элемента, выход одновибратора соединен с управляющим входом второго ключа, в отличие от прототипа:

1. Введен тритий резистор, причем второй выход второго ключа соединен через третий резистор с общей шиной, выход элемента И соединен с входом одновибратора, выход которого подключен к выходу формирователя.

2. Порог включения первого порогового элемента установлен равным 30-50% от минимального значения амплитуды исследуемых полуволн сигналов индукционных датчиков частоты вращения.

В предлагаемом формирователе импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения упрощена схема подразряда конденсатора С(4-3) амплитудного детектора 4: она не требует применения конденсатора 13, ключа 14 и одновибратора 15. В этой схеме (фиг.3) вновь введенный резистор 9 совместно с ключом 8 образует цепь подразряда конденсатора С(4-3). При этом полностью исключается возможность возникновения больших токов разряда конденсатора С(4-3), понижения напряжения порога u_пор(10) формирования импульсов до 0 В и сбоя в работе предлагаемого устройства. В новой схеме подразряда конденсатора С(4-3) напряжение на этом конденсаторе (на выходе амплитудного детектора 4) снижается по экспоненте u(4)=u_max(4)·e^-t/(R·C) в течение интервала времени τ_и(12). Значение вновь введенного резистора 9 определяется по формуле:

Вновь введенные связи одновибратора 12 с выходом элемента И 11 и выходом предлагаемого формирователя импульсов обеспечивают формирование требуемого импульса с постоянной длительностью τ_и(12).

В предлагаемом формирователе импульсов порог включения элемента 1 u_вкл(1) устанавливается равным 30-50% от минимального значения амплитуды исследуемых полуволн сигналов. Так, например, если необходимо формировать импульсы из сигналов в диапазоне скорости вращения от n_min=1000 до n_max=50000 об/мин и известно, что в таком диапазоне датчик вырабатывает сигналы с амплитудой 0,15-10 В [3], [4], то порог u_вкл(1) рационально устанавливать равным 0,15 В·(0,3-0,5)=45-75 мВ≈60 мВ (фиг.4).

При этом измеряемая площадь будет составлять не менее 80% всей площади исследуемых полуволн сигналов, что является вполне приемлемым, так как в предлагаемом устройстве основным критерием при формировании требуемых импульсов является не площадь полуволн сигналов, а разность площадей полуволн соседних сигналов.

Таким образом, все отличительные признаки, приведенные в формуле предлагаемого формирователя импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию «новизна». Эти признаки не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники, позволяют получить новое качество и существенное отличие: обеспечивают высокую надежность и помехоустойчивость предлагаемого формирователя импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения.

В тексте описания и на фиг.1-6 приняты следующие обозначения и сокращения:

формирователь - формирователь импульсов - формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения;

датчик - индукционный датчик частоты вращения;

требуемый импульс - импульс, сформированный предлагаемым устройством из сигналов датчика;

e_c - сигнал датчика;

e_пом - сигнал помехи;

A, A_min, А_max - амплитуда исследуемых сигналов и ее минимальное и максимальное значения в диапазоне скорости вращения n_min-n_max;

S - площадь сигнала - вольт-секундная площадь исследуемой полуволны сигнала;

S₁, S₂, S_1к, S_2к - соответственно получаемые в процессе измерения величины вольт-секундных площадей первой и второй исследуемых полуволн сигналов и максимальные (конечные) значения этих площадей;

S_пор - площадь сигнала, равная порогу формирования импульса;

Q - коэффициент, определяющий часть площади S_1к, составляющую порог S_пор1=Q·S_1к, причем Q<1;

S_пр.min - предельная минимальная допустимая величина площади сигнала датчика;

S_н, S_min, S_max, ΔS - соответственно номинальное, минимальное и максимальное значения площади сигнала, а также максимальное отклонение этой площади от ее номинального значения S_н;

обозначения типа u(1), u(3), u(12) - выходное напряжение соответственно порогового элемента 1, интегратора 3, одновибратора 12, причем u(3) эквивалентно площади сигнала S;

u_пор(10) - напряжение, равное порогу включения элемента 10, оно же равно порогу формирования требуемого импульса, причем u_пор(10) эквивалентно S_пор;

u_вкл(1), u_вкл(7) - напряжение, равное порогу включения соответственно элементов 1 и 7, причем u_вкл(7) эквивалентно S_пр.min;

С(4-3) - конденсатор 3 амплитудного детектора 4 или его емкость;

τ_и(12) - длительность импульса одновибратора 12, она же длительность требуемого импульса, вырабатываемого предлагаемым устройством;

τ_р - время, в течение которого одновременно замкнуты ключи 8 и 14;

I_p - ток, протекающий через одновременно замкнутые ключи 8 и 14;

Z - число возбудителей на роторе исследуемого объекта;

К - коэффициент, определяющий до какого уровня необходимо понизить напряжение на конденсаторе С(4-3), чтобы можно было запомнить на этом конденсаторе новое значение напряжения, полученное в интеграторе 3, причем К<1;

ln К - натуральный логарифм коэффициента К.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1-6, на которых представлены:

фиг.1 - блок-схема устройства-прототипа;

фиг.2 - временные диаграммы работы устройства-прототипа;

фиг.3 - блок-схема предлагаемого формирователя импульсов;

фиг.4 - графики зависимости амплитуды и площади сигналов датчика от скорости вращения ротора (площадь при u_вкл(1)=0,5A_min);

фиг.5 - временные диаграммы работы предлагаемого формирователя импульсов;

фиг.6 - временные диаграммы, поясняющие влияние отклонения ΔS площади сигнала на величину порога формирования импульсов u_пор(10).

В состав предлагаемого формирователя импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения входят (фиг.3) первый пороговый элемент 1, первый ключ 2, интегратор 3, состоящий из операционного усилителя 3-1, резистора 3-2 и конденсатора 3-3, амплитудный детектор 4, состоящий из операционного усилителя 4-1, диода 4-2 и конденсатора 4-3, первый 5 и второй 6 резисторы, второй пороговый элемент 7, второй ключ 8, третий резистор 9, третий пороговый элемент 10, элемент И 11 и одновибратратор 12, причем вход формирователя соединен с входом интегратора 3 и через первый пороговый элемент 1 - с управляющим входом первого ключа 2, выходы которого соединены с входами интегратора 3, подключенными к выводам конденсатора 3-3 этого интегратора, выход интегратора 3 соединен с первым входом третьего порогового элемента 10 и входом амплитудного детектора 4, выход которого подключен к входу второго порогового элемента 7, первому выходу второго ключа 8 и через первый резистор 5 - к второму входу третьего порогового элемента 10 и первому выводу второго резистора 6, второй вывод которого подключен к общей шине, выход третьего порогового элемента 10 соединен с первым входом элемента И 11, второй вход которого подключен к выходу второго порогового элемента 7, выход одновибратора 12 соединен с управляющим входом второго ключа 8, второй выход которого подключен через третий резистор 9 к общей шине, выход элемента И 11 соединен с входом одновибратора 12, выход которого подключен к выходу формирователя.

Предлагаемый формирователь импульсов работает следующим образом. Входные сигналы, представляющие собой последовательность двухполярных сигналов датчика и сигналов помехи, поступают на вход порогового элемента 1 и интегратора 3 (фиг.5).

Порог включения элемента 1 u_вкл(1) имеет отрицательное значение, поэтому при отсутствии входного сигнала или положительной его полярности на выходе порогового элемента 1 имеется низкий уровень напряжения, который, поступая на управляющий вход ключа 2, открывает его. Конденсатор 3-3 интегратора 3 разряжается и его выходное напряжение поддерживается на нулевом уровне.

На запоминающем конденсаторе С(4-3) амплитудного детектора 4 хранится напряжение u₁(4), равное выходному напряжению интегратора 3, полученному при интегрировании предыдущей отрицательной полуволны сигнала e_c1, и соответствующее ее вольт-секундной площади S_1к.

При поступлении на вход предлагаемого устройства сигнала е_с2 и достижении отрицательной полуволной этого сигнала величины u_вкл(1) происходит включение элемента 1, на его выходе устанавливается высокий уровень напряжения u₂(1), ключ 2 размыкается и происходит интегрирование интегратором 3 отрицательной полуволны сигнала.

Полученное в результате интегрирования напряжение u₂(3) запоминается на конденсаторе С(4-3) амплитудного детектора 4 как напряжение u₂(4).

Порог включения элемента 10 u_пор1(10) определяется напряжением на его втором входе, поступающим с выхода амплитудного детектора 4 через делитель напряжения на резисторах 5 и 6, то есть определяется площадью отрицательной полуволны входного сигнала датчика и коэффициентом деления делителя. При превышении выходным сигналом u₂(3) интегратора 3 порога включения u_пор1(10) на выходе элемента 10 появляется высокий уровень напряжения u₂(10). Возврат порогового элемента 10 в исходное состояние осуществляется в момент сброса интегратора 3 при достижении отрицательной полуволной входного сигнала нулевого уровня. Сформированный пороговым элементом 10 импульс поступает на первый вход элемента И 11.

Пороговый элемент 7 разрешает прохождение импульсов с выхода элемента 10 через элемент И 11 на вход одновибратора 12 при превышении выходным напряжением u(4) амплитудного детектора 4 порогового уровня u_вкл(7), эквивалентного значению S_пр.min.

При выполнении условий u₁(4)≥u_вкл(7) и u₂(3)≥u_пор1(10) на выходе элемента И 11 появляется импульс, который запускает одновибратор 12. Сформированный одновибратором 12 импульс u₂(12) подается одновременно на выход предлагаемого устройства и на управляющий вход ключа 8. При этом ключ 8 замыкается и происходит подразряд конденсатора С(4-3) через резистор 9.

Предлагаемый формирователь импульсов не реагирует на сигналы-помехи е_пом (фиг.5), площадь отрицательных полуволн которых меньше порога формирования импульсов S_пор2(10), то есть при u₃(3)<u_пор2(10), а также не вырабатывает неограниченных токов разряда конденсатора С(4-3) амплитудного детектора 4 и не снижает порогового напряжения u_пор4(10) до 0 В при поступлении на вход формирователя импульсов сигналов е_с3, площадь которых чуть-чуть превышает порог формирования импульсов S_пор2.

Величина порога формирования импульсов u_nop(10) в предлагаемом устройстве, как и в устройстве-прототипе, в зависимости от уровня помех может задаваться в широких пределах до 90% и более от площади полезного сигнала. Однако уровень устанавливаемого порога u_пор(10) определяется не только уровнем помех, но и величиной отклонения ΔS вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов от ее номинального значения S_н. Причем чем больше это отклонение, тем ниже должен быть устанавливаемый порог u_пор(10).

Такая зависимость объясняется следующим. Пусть вольт-секундная площадь исследуемых полуволн сигналов имеет минимальное S_min и максимальное S_max значения, при этом максимальное отклонение вольт-секундной площади этих сигналов от ее номинального значения S_н составляет ±ΔS (фиг.6).

Тогда при поступлении сигнала e_c1, площадь отрицательной полуволны которого имеет максимальную величину S_max, выработается пороговый уровень S_пор1 и для того, чтобы был сформирован требуемый импульс при последующем поступлении отрицательной полуволны сигнала е_с2, имеющей минимальную площадь S_min, необходимо выполнить условие S_пор1<S_min. Но так как S_min=S_н-ΔS, то получим: S_nop1<S_н-ΔS. Учитывая, что порог формирования импульсов S_пор эквивалентен порогу u_пор(10), из последней зависимости следует, что чем больше ΔS, тем меньше

u_пор(10).

Отклонение ΔS вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов от ее номинального значения S_н зависит от неточности установки зазора между возбудителями сигналов и индукционным датчиком частоты вращения, от разброса геометрических и магнитных параметров возбудителей и при числе возбудителей Z≥2 может составлять значительную величину.

Поэтому предлагаемый формирователь импульсов рационально использовать в системах, имеющих прецизионную установку Z≥2 возбудителей сигналов или имеющих только один такой возбудитель. В последнем случае не предъявляются жесткие требования к установке возбудителя и его параметрам.

Предлагаемый формирователь импульсов состоит из функциональных блоков, которые широко освещены в технической литературе. Так, например, описание принципа работы и расчет основных элементов интегратора приведен в [5, стр.127]. На блок-схемах фиг.1 и фиг.3 показан один из простых вариантов реализации амплитудного детектора 4. При необходимости возможно применение высококачественного амплитудного детектора, например, приведенного в [5, стр.234].

Интегратор 3 и амплитудный детектор 4 могут быть выполнены на операционных усилителях, например, на микросхеме 140УД20, пороговые элементы 1, 7 и 10 - на компараторах, например, 597СА3 [6], ключи 2 и 8 - на аналоговых ключах, например, 590КН9 δКО.347.000ТУ10, а одновибратор 12 - на микросхеме 564АГ1 δКО.347.064ТУ32.

Предлагаемый формирователь импульсов сравнительно прост в реализации и обеспечивает высокую надежность и помехоустойчивость при работе в условиях ограниченного отклонения вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов от ее номинального значения.

Совместно с устройством измерения частоты [7] этот формирователь может быть использован прежде всего в помехоустойчивых высокоточных модулях измерения частоты вращения, входящих в состав систем аварийной защиты энергонасыщенных объектов, таких, например, как жидкостные ракетные и авиационные газотурбинные двигатели [8].

Применение предлагаемого формирователя импульсов позволит повысить эффективность систем аварийной защиты исследуемых объектов и испытательных стендов, повысить качество отработки объектов, сократить ее сроки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авторское свидетельство СССР №1550611 A1, H03K 5/24, G05B 1/01, опубл. 15.03.90 г.

2. Патент RU №2173022 С2, МПК7 H03K 5/153, опубл. 27.08.2001 г.

3. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник. / Под общей редакцией Ю.Н.Коптева. Том 2, М., Издательское предприятие журнала "Радиотехника", 2000 г, стр.561, 616-618.

4. Преобразователь частоты вращения ОГ 018. Технические условия Вт2.780.018ТУ.

5. Л.Фолкенберри. Применение операционных усилителей и линейных ИС. Перев. с англ. М: "Мир", 1985 г.

6. Интегральные микросхемы. Операционные усилители и компараторы. Справочник, том 12, изд. 2, Додэка-21в, 2002 г.

7. Патент RU N2300112 С2, МПК G01R 23/10, опубл. 27.05.2007.

8. Н.Н.Севрюгин, И.А.Потапов, А.Н.Попов, A.M.Цирихов «Опыт автоматизации процесса испытаний авиационных газотурбинных двигателей. || Приборы и Системы. Управление, контроль, диагностика. 2001. N 5.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического измерения, управления и аварийной защиты, в состав которых входят датчики, вырабатывающие импульсные сигналы, в частности индукционные датчики частоты вращения и расхода. Технический результат заключается в повышении надежности и помехоустойчивости формирователя импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения. В устройстве осуществляется измерение вольт-секундной площади полуволны каждого сигнала датчика частоты вращения и сравнение ее с частью площади аналогичной полуволны предшествующего сигнала. Формирователь содержит интегратор (3), амплитудный детектор (4), три пороговых элемента (1, 7, 10), два ключа (2, 8), элемент И (11), одновибратор (12) и три резистора (5, 6, 9). 6 ил.

Формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, содержащий интегратор, амплитудный детектор, три пороговых элемента, два ключа, элемент И, одновибратор и два резистора, причем вход формирователя соединен с входом интегратора и через первый пороговый элемент - с управляющим входом первого ключа, выходы которого соединены с входами интегратора, подключенными к выводам конденсатора интегратора, выход интегратора соединен с первым входом третьего порогового элемента и входом амплитудного детектора, выход которого подключен к входу второго порогового элемента, первому выходу второго ключа и через первый резистор - к второму входу третьего порогового элемента и первому выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к общей шине, выход третьего порогового элемента соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к выходу второго порогового элемента, выход одновибратора соединен с управляющим входом второго ключа, отличающийся тем, что в него введен третий резистор, причем второй выход второго ключа соединен через третий резистор с общей шиной, выход элемента И соединен с входом одновибратора, выход которого подключен к выходу формирователя, при этом порог включения первого порогового элемента установлен равным 30-50% от минимального значения амплитуды исследуемых полуволн сигналов индукционных датчиков частоты вращения.