УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G01P3/488 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения частоты вращения различных деталей и узлов и может быть использовано, в частности, в качестве бесконтактного датчика для определения частоты вращения шестерни (вала) дизельных двигателей в составе автоматизированных дизель-генераторов.

Известно устройство измерения частоты вращения (заявка ФРГ №3639208, МКИ⁴ G01D 5/8, 1988 г.), использующее в качестве чувствительного элемента катушку индуктивности.

Существенным недостатком является малый рабочий зазор (менее 1 мм) между торцом устройства и зубом ротора, а также падение величины сигнала с уменьшением скорости вращения. В результате чего такие устройства не работоспособны на малых скоростях вращения вала.

Известно устройство измерения частоты вращения (заявка ФРГ №3634925, МКИ⁴ G01P 3/488, 1988 г.), использующее чувствительный элемент, содержащий тонкопленочные магниторезисторы, соединенные в мостовую схему.

Его недостатками являются необходимость достаточно точной установки чувствительного элемента относительно источника магнитного поля (постоянного магнита) и необходимость выполнения постоянного магнита с узким желобом достаточно точных размеров. Весьма существенным недостатком является зависимость сигнала с чувствительного элемента от вихревых токов, наводимых во вращающемся роторе, и, как следствие, приводящая к уменьшению величины рабочего зазора при увеличении частоты вращения.

Известно устройство измерения частоты вращения (заявка РСТ 086/00877, МКИ⁴ G01D 5/16, 1986 г.), содержащее чувствительный элемент в виде четырех тонкопленочных магниторезисторов на плоской подложке, который установлен на постоянный магнит, причем чувствительный элемент определенным образом ориентирован относительно направления движения зубьев ротора и, кроме того, он установлен асимметрично относительно постоянного магнита, причем величина этой асимметрии составляет от 1/5 до 1/10 ширины чувствительного элемента.

Недостатками являются зависимость сигнала от вихревых токов и необходимость точной юстировки чувствительного элемента.

Известно устройство измерения частоты вращения (заявка №92014487/10/06/000/ от 25.12.92 г.), содержащее чувствительный элемент в виде четырех тонкопленочных магниторезисторов на плоской подложке, который установлен на постоянный магнит, ориентированный нормально к поверхности подложки таким образом, что тангенциальная составляющая его поля рассеяния составляет с направлением протекания тока по магниторезистору угол 45±15 град., а между магнитом, непосредственно прилегая к его поверхности, и подложкой находится пластина из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью, установленная перпендикулярно направлению движения зубьев ротора таким образом, что два из магниторезисторов находятся над ней, а два - вне ее.

Недостатками такой конструкции являются:

- значительная сложность изготовления такого устройства, поскольку необходимо достаточно точно ориентировать как магнит, так и пластину из ферромагнитного материала относительно магниторезисторов, находящихся в корпусе;

- зависимость сигнала от вихревых токов.

Известно устройство для определения частоты вращения (патент РФ №2115932, G01P 3/488 от 13.09.1995 г. фиг.4) - прототип.

Известное устройство содержит постоянный магнит, датчик из четырех тонкопленочных магниторезисторов, включенных по мостовой схеме и размещенных на подложке, которая установлена на пластине из ферромагнитного материала, установленной в свою очередь на полюсе постоянного магнита, зубчатый ротор из ферромагнитного материала, блок усиления и формирования выходного сигнала, включенный в диагональ мостовой схемы, пластина из ферромагнитного материала расположена так, что все магниторезисторы находятся на ней, размеры ее составляют 0,5-1,2 площади поверхности полюса магнита, а толщина - 0,3-0,5 мм, между выходной диагонально мостовой схемы и входами блока усиления и формирования выходного сигнала включены фильтры верхних частот, образуемые резисторами и конденсаторами.

Недостатками известного устройства являются:

- низкая точность формирования выходного сигнала из-за влияния высокочастотных шумовых составляющих полезного сигнала, поступающих от магниторезистивного датчика;

- низкая точность формирования выходного сигнала при усилении слабых входных сигналов из-за влияния нелинейных искажений усилителя при работе вблизи нулевого уровня входных напряжений;

- низкая точность формирования выходного сигнала из-за влияния параметров внешних связей и потребителя выходного сигнала.

Предлагаемое устройство для определения частоты вращения устраняет перечисленные выше недостатки.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и точности определения частоты вращения, а также качественная передача сигнала потребителю.

Для достижения указанного технического результата в устройство для определения частоты вращения, содержащее датчик из четырех тонкопленочных магниторезисторов, включенных по мостовой схеме, постоянный магнит, инструментальный усилитель, два фильтра верхних частот, резистор, источник питания, при этом первый и второй выводы датчика соединены с соответствующими конденсаторами фильтров верхних частот, резистор соединен с первым и вторым выводами инструментального усилителя, вывод «0V» источника питания соединен с общей точкой соединения резисторов фильтров верхних частот, вывод «+5V» источника питания соединен с третьим выводом инструментального усилителя, введены два фильтра нижних частот, четыре резистора, конденсатор, варистор, симметрирующий трансформатор, инструментальный усилитель заключен в экранирующий контур, в который включены семь проходных конденсаторов и резистор, вывод «+5V» источника питания через первый резистор соединен с третьим выводом датчика, вывод «-5V» источника питания соединен с четвертым выводом инструментального усилителя, а через второй резистор - с четвертым выводом датчика, вывод «0V» источника питания соединен с пятым выводом инструментального усилителя, а через третий резистор - с экранирующим контуром, средние точки фильтров верхних частот через фильтры нижних частот соединены соответственно с шестым и седьмым выводами инструментального усилителя, восьмой вывод инструментального усилителя через четвертый резистор и первую обмотку симметрирующего трансформатора соединен с положительным выходом устройства «+ДЧВ», пятый вывод инструментального усилителя через вторую обмотку симметрирующего трансформатора соединен с отрицательным выходом устройства «-ДЧВ», конденсатор и варистор соединены параллельно входам симметрирующего трансформатора.

Источник питания устройства для определения частоты вращения содержит входной фильтр, линейный понижающий преобразователь DC/DC, преобразователь напряжения из положительного в отрицательное, два сглаживающих дросселя, четыре конденсатора, общую выходную шину, причем входной фильтр содержит два сглаживающих дросселя, варистор, стабилитрон, RC-цепочку, резистор, при этом положительный вход устройства «+24В» через два последовательно соединенных дросселя соединен с первым выводом линейного понижающего преобразователя DC/DC, общий вход устройства «Общ.» через два последовательно соединенных сглаживающих дросселя соединен со вторым выводом линейного понижающего преобразователя DC/DC и общей выходной шиной, концы обмоток сглаживающих дросселей во входном фильтре соединены между собой варистором, стабилитроном, RC цепочкой, входной фильтр заключен в экранирующий контур, в который включены два проходных конденсатора и резистор, при этом RC-цепочка через резистор соединена с экранирующим контуром, третий вывод линейного понижающего преобразователя DC/DC соединен с первым выводом преобразователя напряжения из положительного в отрицательное, концы обмоток сглаживающих дросселей в источнике питания соединены между собой первым конденсатором, общая выходная шина соединена через второй конденсатор с третьим выводом линейного понижающего преобразователя DC/DC, а также непосредственно со вторым выводом, а через третий конденсатор - с третьим выводом преобразователя напряжения из положительного в отрицательное, четвертый конденсатор соединен с четвертым и пятым выводами преобразователя напряжения из положительного в отрицательное, третий вывод которого является выводом «-5V» источника питания, третий вывод линейного понижающего преобразователя DC/DC является выводом «+5V» источника питания, общая выходная шина является выводом «0V» источника питания.

На фиг. показана структурная схема устройства для определения частоты вращения.

На фиг. показано:

1 - датчик из четырех тонкопленочных магниторезисторов, включенных по мостовой схеме (разработка и изготовление ФГУП НПО автоматики) с постоянным магнитом;

2 - печатная плата предназначена для монтажа узлов устройства;

3, 4 и 5, 6 - фильтры верхних частот;

3, 5 - конденсаторы (конденсаторы TMK212B7105MG-T, ф. TAYIO YUDEN);

4, 6 - резисторы (резисторы RC0805JR-0751KL, ф. Vageo);

7, 8 - фильтры нижних частот (дроссели высокочастотные BLM21RK102SN1, ф. Murata);

9 - резистор (резистор RC0805JR-07100RL, ф. Vageo);

10 - инструментальный усилитель (микросхема AD620AR, ф. Analog Devices);

11 - резистор (резистор RC0805JR-07100RL, ф. Vageo);

12÷18 - проходные конденсаторы (конденсаторы NFM21CC470U1H3, ф. Murata);

19 - резистор (резистор RC0805JR-0747RL, ф. Vageo);

20 - резистор (резистор RC0805JR-0747RL, ф. Vageo);

21, 22 - резисторы (резисторы RC0805JR-07270RL, ф. Vageo);

23 - конденсатор (конденсатор VJ0805Y563KXXAT, ф. Vishay Vitramon);

24 - варистор (варистор CT0805MGG ордер В72510Т0060М062, ф. EPCOS);

25 - симметрирующий трансформатор (трансформатор 744212331, ф. WURTH ELECTRONIC);

Источник питания:

26 - входной фильтр;

27, 28 - сглаживающие дроссели (дроссели SIMID 1812-Т ордер В82432-Т1105-К, ф. EPCOS);

29 - варистор (варистор CT0805K30G ордер B72510T0300K062, ф. EPCOS);

30 - стабилитрон (стабилитрон SMAJ40CA-TR, ф. ST Microelectronics);

31 - конденсатор (конденсатор VJ0805Y223KXBCW1BC, ф. Vishay Vitramon);

32 - резистор (резистор RC0805JR-0710RL, ф. Vageo);

33 - резистор (резистор RC0805JR-0747RL, ф. Vageo);

34, 35 - проходные конденсаторы (конденсаторы NFM21CC223R1H3D, ф. Murata);

36 - резистор (резистор RC0805JR-0747RL, ф. Vageo);

37, 38 - сглаживающие дроссели (дроссели высокочастотные BLM21RK102SN1, ф. Murata);

39 - конденсатор (два параллельно соединенных конденсатора GRM32ER71H475KA88, ф. Murata);

40 - линейный понижающий преобразователь DC/DC (микросхема MAX5023LASA, ф. Maxim);

41 - конденсатор (конденсатор GRM31CR71A226KE15, ф. Murata);

42 - преобразователь напряжения из положительного в отрицательное (микросхема LM2664M6, ф. National Semiconductor);

43, 44 - конденсаторы (конденсаторы GRM32ER71H475KA88, ф. Murata);

45 - общая выходная шина.

Источник питания содержит следующие выводы:

46 - «0V»;

47 - «-5V»;

48 - «+5V»;

49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56 - контактные площадки печатной платы 2.

На печатной плате 2 для внешних подсоединений устанавливается вилка 2РМГ14Б4Ш1Е2 ГЕ0.364.140 ТУ.

Контактные площадки 53, 54, 55, 56 печатной платы 2 соединяются с контактами вилки.

Питание от внешнего источника постоянного тока напряжением от 17,0 до 31,3 В поступает через вилку и контактные площадки 55 «+24 В», 56 «Общий» на входной фильтр 26 источника питания.

Выходной аналоговый знакопеременный сигнал амплитудой полуволны не менее 1,0 В в частотном диапазоне от 1 до 20000 Гц поступает от датчика частоты вращения (ДЧВ) через контактные площадки 53 «+ДЧВ», 54 «-ДЧВ» и вилку в систему автоматизированного управления.

На чертеже показана структурная схема предлагаемого источника питания, которая позволяет получить на выходе двухполярное питание.

При наличии во входном питании амплитуды импульсного напряжения энергия помехи рассеивается на элементах входного фильтра 26.

Сглаживающие дроссели 37, 38 выполняют функции фильтров нижних частот для выходного напряжения входного фильтра 26.

При перемещении зубчатого колеса в зоне действия датчика 1 изменяется угол отклонения магнитного поля. Напряжение сигнала на выходе датчика 1 будет представлять смену состояний типа зуб-воздушный зазор. Вращающаяся шестерня вызывает появление модулированного сигнала с частотой, пропорциональной скорости вращения и числу зубьев.

Устройство для определения частоты вращения работает следующим образом.

Питание от источника питания «+5V» через резистор 22, «-5V» через резистор 21 поступает на соответствующие выводы питания датчика 1 и непосредственно поступает на соответствующие выводы инструментального усилителя 10.

Общая выходная шина 45 «0V» источника питания соединена с общей точкой резисторов 4, 6 фильтров верхних частот, с соответствующим выводом инструментального усилителя 10, а через резистор 20 - с экранирующим контуром.

С выходных выводов датчика 1 величины напряжений через фильтры верхних частот 3, 4 и 5, 6 и фильтры нижних частот 7, 8 передаются на инструментальный усилитель 10, где производится нормирование снятых величин.

Затем точная аналоговая информация из инструментального усилителя 10 через согласующие элементы связи (11, 23, 24, 25), контактные площадки 53, 54 и вилку поступает в систему автоматизированного управления, где производится оцифровка аналоговой информации и использование оцифрованной информации в алгоритмах регулирования и управления.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения частоты вращения различных деталей и узлов. Устройство содержит: датчик из четырех тонкопленочных магниторезисторов, постоянный магнит, инструментальный усилитель, заключенный в экранирующий контур, два фильтра верхних частот, резистор, источник питания, два фильтра нижних частот, конденсатор, четыре резистора, семь проходных конденсаторов, варистор и симметрирующий трансформатор. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и точности определения частоты вращения, а также качественная передача сигнала потребителю. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для определения частоты вращения, содержащее датчик из четырех тонкопленочных магниторезисторов, включенных по мостовой схеме, постоянный магнит, инструментальный усилитель, два фильтра верхних частот, резистор, источник питания, при этом первый и второй выводы датчика соединены с соответствующими конденсаторами фильтров верхних частот, резистор соединен с первым и вторым выводами инструментального усилителя, вывод «0V» источника питания соединен с общей точкой соединения резисторов фильтров верхних частот, вывод «+5V» источника питания соединен с третьим выводом инструментального усилителя, отличающееся тем, что содержит два фильтра нижних частот, четыре резистора, конденсатор, варистор, симметрирующий трансформатор, инструментальный усилитель заключен в экранирующий контур, в который включены семь проходных конденсаторов и резистор, вывод «+5V» источника питания через первый резистор соединен с третьим выводом датчика, вывод «-5V» источника питания соединен с четвертым выводом инструментального усилителя, а через второй резистор - с четвертым выводом датчика, вывод «0V» источника питания соединен с пятым выводом инструментального усилителя, а через третий резистор - с экранирующим контуром, средние точки фильтров верхних частот через фильтры нижних частот соединены соответственно с шестым и седьмым выводами инструментального усилителя, восьмой вывод инструментального усилителя через четвертый резистор и первую обмотку симметрирующего трансформатора соединен с положительным выходом устройства «+ДЧВ», пятый вывод инструментального усилителя через вторую обмотку симметрирующего трансформатора соединен с отрицательным выходом устройства «-ДЧВ», конденсатор и варистор соединены параллельно входам симметрирующего трансформатора.

2. Устройство для определения частоты вращения по п.1, отличающееся тем, что источник питания содержит входной фильтр, линейный понижающий преобразователь DC/DC, преобразователь напряжения из положительного в отрицательное, два сглаживающих дросселя, четыре конденсатора, общую выходную шину, причем входной фильтр содержит два сглаживающих дросселя, варистор, стабилитрон, RC цепочку, резистор, при этом положительный вход устройства «+24В» через два последовательно соединенных дросселя соединен с первым выводом линейного понижающего преобразователя DC/DC, общий вход устройства «Общ.» через два последовательно соединенных сглаживающих дросселя соединен со вторым выводом линейного понижающего преобразователя DC/DC и общей выходной шиной, концы обмоток сглаживающих дросселей во входном фильтре соединены между собой варистором, стабилитроном, RC цепочкой, входной фильтр заключен в экранирующий контур, в который включены два проходных конденсатора и резистор, при этом RC цепочка через резистор соединена с экранирующим контуром, третий вывод линейного понижающего преобразователя DC/DC соединен с первым выводом преобразователя напряжения из положительного в отрицательное, концы обмоток сглаживающих дросселей в источнике питания соединены между собой первым конденсатором, общая выходная шина соединена через второй конденсатор с третьим выводом линейного понижающего преобразователя DC/DC, а также непосредственно со вторым выводом, а через третий конденсатор - с третьим выводом преобразователя напряжения из положительного в отрицательное, четвертый конденсатор соединен с четвертым и пятым выводами преобразователя напряжения из положительного в отрицательное, третий вывод которого является выводом «-5V» источника питания, третий вывод линейного понижающего преобразователя DC/DC является выводом «+5V» источника питания, общая выходная шина является выводом «0V» источника питания.