СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ ИЗ СИГНАЛОВ ИНДУКЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ Российский патент 2012 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 двухполярные сигналы, в частности индукционные датчики частоты вращения и расхода.

Известен способ формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, в котором измеряют и сравнивают вольт-секундные площади двух соседних одинаковых по полярности полуволн двухполярных сигналов индукционного датчика частоты вращения (далее для сокращения текста вместо выражения «вольт-секундная площадь» используется слово «площадь», вместо «индукционный датчик частоты вращения» - слово «датчик»), причем сначала измеряют площадь S₁ первой полуволны (фиг.1), запоминают ее максимальное значение S_1к, вырабатывают пороговое значение S_пop1=Q·S_1к, где Q<1, сравнивают S_1к с пороговым значением S_пр.min, равным предельной минимальной допустимой величине площади исследуемых полуволн сигналов, затем измеряют площадь S₂ второй полуволны, в процессе измерения сравнивают получаемые величины S₂ с пороговым значением S_пор1 и при выполнении условий S_1к>S_пр.min, S₂>S_пор1 вырабатывают требуемый импульс. Одновременно с измерением площади S₂ запоминают ее максимальное значение S_2к, вырабатывают пороговое значение S_пор2=Q·S_2к, необходимое для реализации следующего цикла формирования импульсов. С поступлением каждого нового двухполярного сигнала датчика повторяют процесс формирования требуемого импульса. Этот способ-аналог нашел реализацию в устройстве [1].

Первым существенным недостатком способа-аналога является значительная погрешность в повторении формируемыми импульсами u_ф длительности периодов следования сигналов e_c датчиков.

Такая погрешность обусловлена тем, что при наличии отклонений ΔS площади исследуемых полуволн сигналов от ее номинального значения S_н в рассматриваемом способе формируются импульсы u_ф, периоды Т_ф следования которых не равны соответствующим периодам T_c сигналов датчиков (фиг.1). Разница ΔT длительностей этих периодов зависит от величины ΔS, причем максимальное значение периода Т_фмах имеет место, когда за полуволной с площадью S_мax следует полуволна с площадью S_min, а минимальное значение периода Т_фmin - когда за полуволной с площадью S_min следует полуволна с площадью S_мах. При построении графиков фиг.1 принято значение коэффициента Q=5/8=0.625. Числа, указанные на графиках, представляют собой условные единицы времени.

Вторым существенным недостатком рассматриваемого способа является низкая помехоустойчивость формирования требуемых импульсов. Этот недостаток вызван тем, что процесс формирования импульсов не защищен от воздействия однополярных сигналов-помех, площадь S_пом которых превышает пороговые значения S_пр.min и S_пор1. Такие помехи, имея одинаковую полярность с исследуемыми полуволнами сигналов, приводят к формированию рассматриваемым способом ложных импульсов.

Кроме того, индукционные датчики частоты вращения вырабатывают двухполярные сигналы, а в способе-аналоге формируются импульсы при наличии однополярных сигналов, то есть информация о наличии второй полуволны (противоположной полярности) не учитывается, что снижает достоверность (надежность) формирования импульсов.

Перечисленные выше недостатки способа-аналога приводят к понижению точности, помехоустойчивости и надежности повторения формируемыми импульсами u_ф длительности периодов следования сигналов e_c датчиков.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ [2] формирования импульсов из сигналов датчиков, в котором измеряют площади первой и второй (противоположной полярности) полуволн каждого двухполярного сигнала датчика (фиг.2), причем сначала измеряют площадь S₁ первой полуволны, запоминают ее максимальное значение S_1к, вырабатывают пороговое значение S_пор1=Q·S_1к, где Q<1, сравнивают S_1к с пороговым значением S_пр.min, равным предельной минимальной допустимой величине площади исследуемых полуволн сигналов, в процессе измерения площади S₁ первой полуволны сравнивают получаемые величины S₁ с пороговым значением S_пр.min и в момент выполнения условия S₁>S_пр.min вырабатывают разрешение на измерение площади S₂ второй (противоположной полярности) полуволны, которое отменяют в начале или после начала выдачи требуемого импульса, затем измеряют площадь S₂ второй (противоположной полярности) полуволны, в процессе измерения сравнивают получаемые величины S₂ с пороговым значением S_пор1 и при выполнении условий S_1к>S_пр.min, S₂>S_пор1 вырабатывают требуемый импульс, с поступлением каждого нового двухполярного сигнала датчика повторяют процесс формирования требуемого импульса.

Первым существенным недостатком способа-прототипа является значительная погрешность в повторении формируемыми импульсами u_ф длительности периодов следования сигналов е_c датчика, что вызвано следующим.

Обычно измерение площади S каждой полуволны сигнала датчика начинают и заканчивают при достижении сигналом полуволны заданных порогов u_пн начала и u_пк окончания измерения (фиг.2). Причем величины таких порогов определяют исходя из ожидаемых уровней амплитуды помех, которые могут действовать в цепях сопряжения датчика с формирователем требуемых импульсов, или принимают равными 30÷50% от минимального значения амплитуды исследуемых полуволн сигналов [3].

Такие помехи могут накладываться на полуволны исследуемых сигналов и приводить к случайным погрешностям в измерении площадей этих полуволн. Полную погрешность ΔSi измерения площади каждой i-й (первой или второй) полуволны сигнала можно представить состоящей из трех составляющих:

где: ΔSi - полная погрешность измерения площади i-й полуволны сигнала;

ΔS_iн - погрешность, обусловленная смещением начала измерения;

ΔS_iнк - погрешность, вызванная помехами, действующими между началом и окончанием измерения;

ΔS_iк - погрешность, обусловленная смещением окончания измерения.

В качестве примера на фиг.3 показано, как сигнал помехи u_пом может влиять на смещение начала измерения площади, обуславливая возникновение погрешности ΔS_1н. При случайном вычитании сигнала помехи u_пом1 из сигнала e_c датчика (фиг.3а) измерение площади первой полуволны начинается с некоторым запаздыванием и результат измерения площади уменьшается на величину ΔS_1н1, отмеченную заштрихованной частью фиг.3а. При случайном суммировании сигнала помехи u_пом2 с сигналом e_c датчика (фиг.3б) имеет место более раннее измерение площади первой полуволны и возникает погрешность измерения ΔS_1н2.

Аналогичным образом возникают погрешности ΔS_iк.

В способе-прототипе [2] требуемый импульс формируется при выполнении основного условия:

На графиках фиг.2 показана точка С пересечения порога S_пор1 (Q=5/8=0,625) с зависимостью S₂(t). При этом период следования сформированных импульсов u_ф будет иметь номинальное значение Т_фн, равное периоду Т_с следования сигналов е_с датчика.

В условиях воздействия помех максимальное значение площади первой полуволны определится как S_1к±ΔS1 и соответственно пороговое значение будет равно:

При этом измеряемая площадь второй полуволны сигнала в момент выполнения условия (2), то есть в момент начала формирования импульса, будет равна S₂=S_2фи и с учетом воздействия помех определится выражением:

Подставляя (4) и (3) с учетом (1) в (2) получим условие формирования импульсов по способу [2] при воздействии помех:

На графиках фиг.4 показаны номинальные (без учета влияния помех) зависимости площадей S_1н(t) первой и S_2н(t) второй полуволн, пороги формирования импульсов S_пор1A=0,5·S_1к, S_пор1B=0,85·S_1к (отмечены сплошными линиями), а также их предельные возможные значения, обусловленные воздействием помех (отмечены штриховыми линиями).

Как следует из графиков фиг.4, условие равенства (5) выполняется в зоне множества точек Aj пересечения порога S_пор1A (3) с функцией S₂(t) (4). Одной из двух предельных возможных точек такого пересечения является точка А1, где порог S_пор1A имеет минимальное значение, а функция S₂(t) - максимальное. При этом происходит более раннее формирование требуемого импульса и его период следования Т_фн сокращается на величину ΔТ_А1.

Второй предельной точкой является точка А2, полученная при максимальном значении порога S_пор1A и минимальной величине функции S₂(t). В этом случае период Т_фн следования сформированных импульсов будет увеличен на величину ΔТ_А2.

В рассматриваемом случае для оценки погрешности повторения периода следования сигналов е_c датчика сформированными импульсами u_ф используем максимальное значение суммы погрешностей ΔТ_Amax=ΔТ_А1+Т_A2.

Аналогичным образом для случая, когда Q=0,85, получена погрешность ΔТ_Bmах, которая имеет значительно большую величину, чем погрешность ΔТ_Amах.

Сравнивая погрешности ΔТ_Amах и ΔТ_Bmах, полученные соответственно при Q=0,5 и Q=0,85, приходим к выводу:

1. Основной целью способов [1], [2] формирования импульсов из сигналов датчиков являлось повышение помехоустойчивости путем повышения порога формирования импульсов S_пор1=Q·S_1к вплоть до принятия значения Q=0,9. Однако по мере приближения величины коэффициента Q к 1 в условиях воздействия помех существенно повышается погрешность повторения периода сигналов e_c сформированными импульсами u_ф. Так, например, при Q=0,5 имеется ΔТ_Amах=8 условных единиц времени, в то время как при Q=0,85 получено ΔТ_Bmах=23, то есть ΔТ_Bmах>ΔТ_Amах (фиг.4).

В связи с этим рекомендуемым является порог формирования импульсов, равный S_пор1=(0,3÷0,75)·S_1к.

2. Погрешность ΔT повторения периодов следования сигналов е_с датчика сформированными импульсами u_ф в способе [2] зависит от большого числа случайных погрешностей измерения и сравнения площадей, то есть ΔT=φ(ΔS_1н1, ΔS_1нк1, ΔS_1к1, ΔS_н2, ΔS_нк2), что и приводит к существенному снижению точности формирования импульсов.

Вторым существенным недостатком способа-прототипа [2] является сложность алгоритма формирования импульсов: помимо измерения площадей двух полуволн сигнала в каждом цикле формирования импульса необходимо запоминать максимальные значения S_1к площади первой полуволны, формировать вспомогательный порог S_пор1, вырабатывать разрешение на измерение площади второй полуволны сигнала.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении точности повторения формируемыми импульсами длительности периодов следования сигналов индукционных датчиков частоты вращения, а также в упрощении алгоритма формирования импульсов.

Для достижения указанного технического результата в способе формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, в котором измеряют вольт-секундные площади первой и второй (противоположной полярности) полуволн каждого двухполярного сигнала индукционных датчиков частоты вращения, причем сначала измеряют вольт-секундную площадь S₁ первой полуволны, в отличие от прототипа:

1. Предварительно задают пороги формирования импульсов, равные S_пф1=(0,3-0,75)·S_пр.min1 и S_пф2=(0,3-0,75)·S_пр.min2, где S_пр.min1 и S_пр.min2 - предельные минимальные допустимые величины вольт-секундных площадей соответственно первой и второй полуволн сигналов, в процессе измерения сравнивают получаемые величины S₁ с пороговым значением S_пф1 и в момент выполнения условия S₁≥S_пф1 начинают вырабатывать требуемый импульс, после этого в процессе измерения площади S₂ второй (противоположной полярности) полуволны сравнивают получаемые величины S₂ с пороговым значением S_пф2 и при выполнении условия S₂≥S_пф2 заканчивают формирование требуемого импульса, с поступлением каждого нового двухполярного сигнала индукционного датчика частоты вращения повторяют процесс формирования требуемого импульса.

2. В дополнение к п.1, в момент начала или окончания формирования требуемого импульса вырабатывают второй требуемый импульс, имеющий постоянную длительность.

3. В дополнение к п.1, исследуемые сигналы отфильтровывают от высокочастотных помех и реализуют операции по формированию требуемых импульсов из отфильтрованных сигналов.

В отличие от способа-прототипа [2] в предлагаемом способе формирования импульсов из сигналов датчиков отсутствуют операции запоминания максимального значения S_1к площади первой полуволны сигнала, формирования порогового значения S_пор1, выработки разрешения на измерение площади S₂ второй полуволны сигнала, что позволило существенно упростить алгоритм и условие (5) формирования импульсов и тем самым сократить количество погрешностей при измерении площадей, повысить точность повторения периодов следования сигналов e_c датчиков формируемыми импульсами u_ф.

В новом способе в процессе измерения площади первой полуволны сигнала (фиг.5) получаемые величины S₁ сравнивают с порогом формирования импульсов S_пф1=(0,3-0,75)·S_пр.min1, который заранее определяется и задается в виде постоянного коэффициента. В момент выполнения условия S₁≥S_пф1 начинают формировать требуемый импульс.

При воздействии помех измеряемая площадь первой полуволны будет определяться как , где S_1н - номинальное (без учета влияния помех) значение площади первой полуволны и условием начала формирования требуемого импульса будет:

Аналогичным образом определяется условие окончания формирования требуемого импульса:

При этом существенно снижаются погрешности ΔТ (ΔТ_пФ и ΔТ_зф) повторения периода Т_с сигналов е_с датчика сформированными импульсами u_ф (фиг.5), так как при формировании начала и окончания требуемого импульса выполняется сравнение текущего значения площади первой и второй полуволн сигнала с постоянными величинами соответственно S_пф1 и S_пф2 и, кроме того, в условия (6) и (7) формирования фронтов импульса u_ф не входят погрешности ΔS_iк.

Длительность τ_ф сформированных импульсов u_ф зависит не столько от наличия помех, сколько от частоты исследуемых сигналов e_с: она всегда пропорциональна периоду этих сигналов. Однако в большинстве случаев применения устройств, реализованных на основе рассматриваемого способа, требуется, чтобы сформированные импульсы имели постоянную длительность. Эту задачу и решает п.2 формулы.

Пункт 3 формулы предусматривает дополнительную фильтрацию исследуемых сигналов e_c датчика от высокочастотных помех, которые при малой длительности имеют большую амплитуду.

Таким образом, все отличительные признаки, приведенные в трех пунктах формулы предлагаемого способа формирования 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 повышенную точность повторения формируемыми импульсами u_ф длительности периодов следования сигналов e_c индукционных датчиков частоты вращения, а также существенно упрощают алгоритм формирования требуемых импульсов.

В качестве примера реализации предлагаемого способа на фиг.6 представлена блок-схема аналогового устройства формирования импульсов из сигналов e_c датчиков.

Рассматриваемое устройство состоит из измерителей 1 и 3 площади полуволн сигнала, пороговых элементов 2 и 4, триггера 5 и одновибратора 6. Каждый измеритель состоит из порогового элемента 2, ключа 10 и интегратора, выполненного на конденсаторе 11, резисторе 12 и операционном усилителе (ОУ) 13. Кроме того, в состав измерителя 3 входит инвертирующий усилитель, реализованный на ОУ 14 и резисторах 15, 16 и 17.

Сигнал e_c датчика поступает на входы измерителей 1 и 3. При этом в измерителе 1 путем интегрирования вырабатывается напряжение u_инт1, величина которого пропорциональна площади S₁ первой полуволны. В процессе измерения S₁ напряжение u_инт1 сравнивается с порогом включения элемента 2 u_пф1, эквивалентного площади S_пф1. При достижении напряжением u_инт1 величины порога u_пф1 включается пороговый элемент 2 и сигнал с его выхода устанавливает триггер 5 в состояние логической «1».

Аналогичным образом измеритель 3 вырабатывает напряжение u_инт2, эквивалентное площади S₂ второй полуволны сигнала. При достижении сигналом u_инт2 уровня u_пф2, эквивалентного S_пф2, включается пороговый элемент 4 и происходит установка триггера 5 в состояние логического «0». Сигнал с выхода триггера 5 является требуемым импульсом.

На одном из фронтов переключения триггера 5 происходит запуск одновибратора 6, который формирует второй выходной импульс устройства, имеющий постоянную длительность.

Другим примером реализации предлагаемого способа является цифровое устройство формирования импульсов из сигналов датчиков, блок-схема которого показана на фиг.7. Компонентами этой схемы являются фильтр низкой частоты (ФНЧ) 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, микропроцессор 9 и одновибратор 6. На фиг.8 представлена блок-схема одного из возможных алгоритмов формирования требуемых импульсов, реализуемого этим устройством.

ФНЧ 7 предварительно удаляет из частотного спектра сигналов, поступающих на вход устройства, высокочастотные составляющие, присущие помехам.

АЦП 8 периодически вырабатывает числа N_x, пропорциональные величине отфильтрованного сигнала e_c датчика. Эти числа поступают на вход микропроцессора 9, в память которого предварительно введены значения шести порогов:

- пороги N_п1н и N_п1к, N_п2н и N_п2к - эквивалентные порогам u_п1н и u_п1к, u_п2н и u_п2к начала и окончания измерения площади соответственно первой и второй полуволн сигнала е_с;

- пороги N_пф1 и N_пф2 - эквивалентные порогам S_пф1 начала и S_пф2 окончания формирования требуемого импульса u_ф.

В начале реализации алгоритма формирования импульсов выполняется обнуление регистров, предназначенных для хранения текущих значений чисел N_пл1 и N_пл2, образующихся в процессе суммирования чисел N_x и представляющих собой площадь соответственно первой и второй полуволн сигнала.

Алгоритм формирования импульсов фиг.8 предусматривает раздельное суммирование положительных и отрицательных чисел N_x, сравнение их сумм N_пл1 и N_пл2 с заданными порогами соответственно N_пф1 и N_пф2 и выработку команд включения и выключения элемента памяти, выходной сигнал которого представляет собой требуемый импульс u_ф.

Аналоговый вариант устройства (фиг.6) может быть реализован на четырех микросхемах, например: пороговые элементы 1-2, 2, 3-2 и 4 - на микросхеме 1401СА1 бКО.348.651-03ТУ; операционные усилители 1-13, 3-13 и 3-14 - на микросхеме 1401УД2А бКО.347.306-01ТУ; ключи 1-10 и 3-10 - на микросхеме 590КН25 бКО.347.000-27ТУ; триггер 5 и одновибратор 6 - на микросхеме 564ТМ2 бКО.347.064ТУ1. Кроме того, в устройство входят несколько резисторов и конденсаторов.

Цифровое устройство (фиг.7) может быть выполнено в двух вариантах. Первый вариант реализуется с использованием блоков-элементов ФНЧ, АЦП, микропроцессора и одновибратора. Второй вариант предусматривает выполнение устройства на одном из современных микроконтроллеров, например на 16-разрядном микроконтроллере 1874 ВЕ36 АЕЯР.431280.169ТУ, в состав которого входят собственно процессор, 10-разрядный АЦП, счетчики-таймеры и др.

Аналоговое устройство (фиг.6) представляется более простым, не требующим программных и аппаратных средств отладки. Однако цифровой формирователь импульсов (фиг.7) может иметь более стабильные параметры в различных температурных условиях, меньшие вес и габариты.

В способах [1] и [2] реализовано адаптивное изменение порога S_пор1 формирования импульсов, что позволяет формировать импульсы из сигналов, площадь которых может варьироваться в довольно широком диапазоне. Такая особенность этих способов исключает влияние на работу устройств погрешности установки зазора между датчиком и возбудителем сигналов, представляет возможность конкретному формирователю работать без перенастройки с несколькими типами датчиков и возбудителей сигналов.

Однако на практике в большинстве случаев применения формирователей импульсов не требуется адаптивное изменение порога S_пор1, так как представляется возможным устанавливать зазор между датчиком и возбудителем с довольно высокой точностью и, кроме того, используемый формирователь импульсов рассчитывается на работу с определенным типом датчика и возбудителя.

Применение в таких случаях устройств, реализованных на основе предлагаемого способа формирования импульсов, позволяет существенно повысить точность повторения периодов следования сигналов е_с датчиков формируемыми импульсами u_ф, а также значительно упростить схему и алгоритм работы формирователей.

Выполненные по предлагаемому способу формирователи импульсов предназначены в основном для работы совместно с устройствами измерения частоты, которые могут быть использованы прежде всего в системах аварийной защиты энергонасыщенных объектов, таких, например, как жидкостные ракетные и газотурбинные авиационные двигатели [4].

Использование в данном случае предлагаемого способа формирования импульсов позволит значительно повысить эффективность аварийной защиты испытываемых объектов и стендов от разрушений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент RU №2352059 С1, МПК Н03К 5/153, опубл. 10.04.2009 г.

2. Патент RU №2352058 С1, МПК Н03К 5/153, опубл. 10.04.2009 г.

3. Патент RU №2353052 С1, МПК Н03К 5/153, опубл. 20.04.2009 г.

4. Н.Н.Севрюгин, И.А.Потапов, А.Н.Попов, А.М.Цирихов. Опыт автоматизации процесса испытаний авиационных газотурбинных двигателей. Приборы и Системы. Управление, контроль, диагностика. 2001. №5.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического измерения, управления и аварийной защиты, в состав которых входят датчики, вырабатывающие двухполярные сигналы, в частности индукционные датчики частоты вращения и расхода. Техническим результатом является повышение точности повторения формируемыми импульсами длительности периодов следования сигналов индукционных датчиков частоты вращения, а также упрощение алгоритма формирования импульсов. Способ содержит этапы: измеряют и сравнивают вольт-секундные площади двух полуволн каждого двухполярного сигнала индукционного датчика частоты вращения, причем предварительно задают пороги формирования импульсов, равные S_пф1=(0,3-0,75)·S_пр.min1 и S_пф2=(0,3-0,75)·S_пр.min2, где S_пр.min1 и S_пр.min2 - предельные минимальные допустимые величины вольт-секундных площадей соответственно первой и второй полуволн сигналов, в процессе измерения площади первой полуволны сигнала сравнивают получаемые величины S₁ с пороговым значением S_пф1 и в момент выполнения условия S₁≥S_пф1 начинают вырабатывать требуемый импульс, после этого в процессе измерения площади S₂ второй полуволны сравнивают получаемые величины S₂ с пороговым значением S_пф2 и при выполнении условия S₂≥S_пф2 заканчивают формирование требуемого импульса. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, в котором измеряют вольт-секундные площади первой и второй (противоположной полярности) полуволн каждого двухполярного сигнала индукционных датчиков частоты вращения, причем сначала измеряют вольт-секундную площадь S₁ первой полуволны, отличающийся тем, что предварительно задают пороги формирования импульсов, равные S_пф1=(0,3-0,75)·S_пр.min1 и S_пф2=(0,3-0,75)·S_пр.min2, где S_пр.min1 и S_пр.min2 - предельные минимальные допустимые величины вольт-секундных площадей соответственно первой и второй полуволн сигналов, в процессе измерения сравнивают получаемые величины S₁ с пороговым значением S_пф1 и в момент выполнения условия S₁≥S_пф1 начинают вырабатывать требуемый импульс, после этого в процессе измерения площади S₂ второй (противоположной полярности) полуволны сравнивают получаемые величины S₂ с пороговым значением S_пф2 и при выполнении условия S₂≥S_пф2 заканчивают формирование требуемого импульса, с поступлением каждого нового двухполярного сигнала индукционного датчика частоты вращения повторяют процесс формирования требуемого импульса.

2. Способ формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения по п.1, отличающийся тем, что в момент начала или окончания формирования требуемого импульса вырабатывают второй требуемый импульс, имеющий постоянную длительность.

3. Способ формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения по п.1, отличающийся тем, что исследуемые сигналы отфильтровывают от высокочастотных помех и реализуют операции по формированию требуемых импульсов из отфильтрованных сигналов.