СПОСОБ МОНИТОРИНГА ДАВЛЕНИЯ НА ВХОДЕ ГАЗОВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КЛАПАНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F16K31/02 G05D16/00 H01F7/18 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано преимущественно для управления электромагнитными клапанами (ЭМК), преимущественно используемыми в газораспределительных системах автоматики.

Известны различные способы контроля давления на входе газового ЭМК, самыми распространенными из которых являются способы, основанные на использовании датчиков давления различного типа.

Однако последнее время все чаще встречаются патентуемые технические решения, в которых обращается внимание на тот факт, что давление среды на входе газового ЭМК оказывает непосредственное влияние на характер изменения тока в обмотке электромагнита (ЭМ) клапана после подачи напряжения питания при его включении. Например, в описании изобретения [1] на фиг. 4 показано, что давление на входе клапана влияет на переходный процесс изменения тока в обмотке ЭМК. Аналогичные данные приведены в описаниях изобретений к патентам [2] и.[3].

В описании изобретения [4] на Fig.29a приведено уже семейство переходных процессов изменения тока в обмотке ЭМК в зависимости от нагрузки, действующей на перекрывающий поток газа соленоидный привод. Здесь обращается внимание на то, что под действием нагрузки изменяется время срабатывания клапана, которое характеризуется моментом достижения локального минимума тока в обмотке при открывании клапана. Эта информация используется системой автоматического управления подачей топлива в двигателе.

Наиболее близким, по нашему мнению, к предлагаемому техническому решению является способ мониторинга давления, используемый в регуляторе давления, приведенный в описании патента [5]. Здесь поведение давления в системе отслеживаются по наблюдениям за переходным процессом изменения тока в обмотке соленоида клапана при его включении. Однако используемый способ не позволяет определять конкретное значение давления на входе клапана.

Прототипом предлагаемого устройства является устройство для определения положения якоря электромагнита, описанное в патенте [6]. Его схема ближе всего по элементному составу к предлагаемому техническому решению.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей мониторинга давления, которое позволит определять конкретную величину давления газа на входе ЭМК и, в некоторых случаях, обходиться без непосредственного измерения давления традиционно применяемыми датчиками.

Решение поставленной задачи достигается тем, что перед началом работы контролируют величину начального зазора между якорем и стопом ЭМ клапана, при каждом включении клапана измеряют напряжение источника питания, а затем сигнал, соответствующий величине тока в обмотке ЭМ при подаче на нее напряжения питания, обрабатывают фильтром нижних частот, определяют локальный максимум фильтрованного сигнала по нескольким его последовательным отсчетам. Значения полученного локального максимума и измеренного напряжения источника питания используют для определения значения давления на входе газового ЭМК в момент его открытия с применением паспортных данных ЭМК о зависимости локального максимума фильтрованного сигнала от давления на входе ЭМК для номинального значения начального зазора между якорем и стопом ЭМ и известной величины напряжения питания.

До начала эксплуатации ЭМК при испытаниях в лабораторных или заводских условиях при формировании паспортных данных ЭМК для номинального значения начального зазора между якорем и стопом ЭМ и установленной величины напряжения питания формируют таблицу, связывающую значения локального максимума фильтрованного сигнала, имеющего место при открывании клапана, и величины давления газа на входе клапана, действующего на якорь ЭМ в закрытом состоянии клапана, для чего нагружают якорь ЭМ клапана силой, соответствующей заданной величине давления газа, действующего на якорь электромагнита в процессе его работы в закрытом состоянии клапана, и определяют после подачи напряжения питания соответствующую величину локального максимума фильтрованного сигнала, имеющего место при открывании клапана, далее пару значений давления нагрузки и локального максимума фильтрованного сигнала запоминают, после чего изменяют величину нагрузки, действующей на якорь ЭМ, и определяют соответствующую ей величину локального максимума фильтрованного сигнала, имеющего место при открывании клапана, эту полученную пару значений давления нагрузки и локального максимума фильтрованного сигнала также запоминают, таким образом определяют и запоминают требуемое для формирования таблицы количество пар значений давления газа на входе клапана и соответствующих им величин локального максимума фильтрованного сигнала, имеющего место при открывании клапана, эту сохраненную таблицу используют для определения давления газа на входе ЭМК при его эксплуатации.

При цифровой реализации предлагаемого способа с использованием микроконтроллера удобно полученную для номинального значения начального зазора между якорем и стопом ЭМ и установленной величины напряжения питания табличную зависимость значений давления газа на входе ЭМК и соответствующих им величин локального максимума фильтрованного сигнала, имеющих место при открывании клапана, аппроксимировать полиномиальным выражением вида:

где p - величина давления газа на входе ЭМК;

I_max - значение локального максимума фильтрованного сигнала, имеющего место при открывании клапана, после подачи напряжения питания;

С₂, С₁, С₀ - определяемые по табличным данным, например, методом наименьших квадратов, постоянные коэффициенты для каждой установленной величины напряжения питания и номинального значения начального зазора между якорем и стопом ЭМ,

из этих полученных значений постоянных коэффициентов формируют другую таблицу, в которой каждый набор постоянных коэффициентов соответствует каждому заданному конкретному значению напряжения источника питания и номинальному значению начального зазора между якорем и стопом ЭМ, эту таблицу значений постоянных коэффициентов также запоминают и используют для определения давления газа на входе ЭМК в момент его открытия.

При эксплуатации ЭМК для определения текущего значения давления газа на входе ЭМК по измеренному значению напряжения на выходе источника питания, например, методом линейной интерполяции табличных значений постоянных коэффициентов С₂, С₁ и С₀, определяют набор их значений, соответствующий измеренному значению напряжения питания, и с использованием полученного набора постоянных коэффициентов и определенной величины локального максимума фильтрованного сигнала, имеющего место при открывании клапана, и полиномиального выражения (1) определяют давление газа на входе ЭМК в момент его открытия.

Для более рационального использования вычислительных ресурсов микроконтроллера при цифровой реализации предлагаемого способа соответствующий измеренному значению напряжения питания набор значений постоянных коэффициентов, определяют в момент подачи напряжения питания на обмотку ЭМ клапана при его открытии, а значение давления газа на входе ЭМК с использованием полученного набора постоянных коэффициентов определяют после получения значения величины локального максимума фильтрованного сигнала, имеющего место при открывании клапана.

Полученное значение давления газа на входе нормально закрытого газового ЭМК для использования этой информации, например, при формировании сигналов управления клапаном можно передавать внешним устройствам.

Возможен вариант, когда измеренные значения величины напряжения источника питания и величины локального максимума фильтрованного сигнала, имеющего место при открывании клапана, передают внешним устройствам, а определение значения давления газа на входе ЭМК с использованием табличных значений постоянных коэффициентов C₂, С₁ и С₀ и полиномиального выражения (1) осуществляют с использованием внешних устройств.

Для повышения помехозащищенности и диагностики открывания клапана определение локального максимума фильтрованного сигнала после подачи напряжения питания начинают в момент времени, когда величина тока в обмотке электромагнита превышает значение 0,2 от величины локального максимума фильтрованного сигнала, которая достигается в процессе эксплуатации в случае минимально допустимого значения напряжения питания при максимально допустимом значении давления газа на входе электромагнитного клапана, а заканчивают определение локального максимума фильтрованного сигнала при достижении момента времени, равного 1,25 от максимально допустимого при эксплуатации интервала времени, отведенного на открытие электромагнитного клапана, и, если локальный максимум фильтрованного сигнала к этому моменту времени не найден, формируют сигнал об отказе клапана и передают его внешним устройствам.

Для решения поставленной задачи с помощью предлагаемого устройства, реализующего заявляемый способ, в устройство дополнительно введен измеритель напряжения, вход которого соединен с выходом источника питания, а выход - с выводом 4 микроконтроллера. Кроме того, в составе устройства дополнительно задействованы соединенные по умолчанию с внутренней двунаправленной шиной следующие внутренние периферийные модули микроконтроллера: конфигурируемые логические ячейки CLC1, которая используется в качестве логического элемента «И», и CLC2, которая используется в качестве логического элемента «ИЛИ», таймер Timer1, цифро-аналоговый преобразователь DAC1, компаратор СМР4, а также разряды «RC6» и «RC0» регистра порта ввода/вывода PORTC. Причем разряд «RC0» соединен с выходом COGA блока формирования выходных сигналов COG1 и с выводом 11 микроконтроллера, настроенным как цифровой выход порта ввода/вывода PORTC. Счетный вход таймера Timer1 соединен с выходом внутреннего тактового генератора, а его выход - с входом конфигурируемой логической ячейки CLC2 и первым входом конфигурируемой логической ячейки CLC1, второй вход которой соединен выходом компаратора СМР4. Неинвертирующий вход компаратора СМР4 соединен с выходом цифро-аналогового преобразователя DAC1, а его инвертирующий вход - с выводом 26 микроконтроллера, настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTB. Вход «AN2» аналого-цифрового преобразователя ADC соединен с выводом 4 микроконтроллера, настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTA. Выход конфигурируемой логической ячейки CLC1 соединен с входом Auto-conversion Trigger аналого-цифрового преобразователя ADC. Выход конфигурируемой логической ячейки CLC2 соединен с входом Rising Event Input Source блока формирования выходных сигналов COG1 и счетными входами таймеров Timer2 и Timer4. Вход Auto-shutdown Source блока формирования выходных сигналов COG1 соединен с выходом таймера Timer2. Вывод 25 микроконтроллера соединен с выходом фильтра нижних частот. Разряд «RC6» регистра порта ввода/вывода PORTC соединен с выводом 17 микроконтроллера, настроенным как цифровой выход порта ввода/вывода PORTC.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.

Фиг. 1. Семейство экспериментальных переходных процессов фильтрованного сигнала изменения тока I в обмотке ЭМ клапана при подключении для номинального зазора в обесточенном состоянии, напряжения питания 27 В и разных значениях нагрузки на якорь.

Фиг. 2. Семейство экспериментальных переходных процессов фильтрованного сигнала изменения тока I в обмотке ЭМ клапана при подключении для номинального зазора в обесточенном состоянии, разного напряжения питания и разных значениях нагрузки на якорь.

Фиг. 3. Экспериментальные данные для полученных значений локального максимума фильтрованного сигнала тока I_max в обмотке ЭМ клапана при открытии для номинального зазора в обесточенном состоянии, разного напряжения питания и разных значениях нагрузки на якорь.

Фиг. 4. Результаты аппроксимации экспериментальных данных для определения нагрузки на якорь по значению локального максимума фильтрованного сигнала тока I_max в обмотке ЭМ клапана при срабатывании для номинального зазора и напряжения питания 24, 27, 30 и 34 В.

Фиг. 5. Функциональная схема предлагаемого устройства для мониторинга давления на входе нормально закрытого газового ЭМК.

Фиг. 6. Блок-схема возможного алгоритма, реализуемого при работе предлагаемого устройства для мониторинга давления газа на входе нормально закрытого газового ЭМК.

Фиг. 7. Аппроксимирующие кривые, построенные для определения нагрузки на якорь по значению локального максимума фильтрованного сигнала тока I_max в обмотке ЭМ клапана при его открывании для номинального зазора и разных конкретных значениях напряжения питания из допустимого рабочего диапазона.

Как уже отмечалось, предлагаемый способ основан на том, что переходной процесс изменения тока в обмотке ЭМ нормально закрытого газового ЭМК зависит, в частности, от давления газа на входе клапана. Одним из важных и четко определяемых параметров этого переходного процесса является значение локального максимума тока, имеющего место в начале движения якоря ЭМ, при подаче на его обмотку напряжения питания. Однако, величина этого локального максимума зависит не только от величины давления газа на входе ЭМК, но и от других факторов, наиболее существенными из которых являются напряжение питания и величина начального зазора между якорем и стопом ЭМ. Поэтому при оценке величины давления газа на входе ЭМК по измерениям напряжения питания и локального максимума тока при открывании клапана необходимо контролировать величину начального зазора между якорем и стопом ЭМ.

На графиках, представленных на фиг. 1, приведены экспериментальные переходные процессы изменения фильтрованного сигнала тока в обмотке ЭМ, полученные для имеющегося в распоряжении авторов конкретного экземпляра нормально закрытого газового ЭМК, выполненного на основе дискового ЭМ втяжного типа. Переходные процессы получены при питании ЭМК от стабилизированного источника напряжения 27 В. При проведении экспериментов к якорю ЭМ клапана прикладывалась нагрузка, соответствующая конкретному значению давления газа, действующего на якорь ЭМ в направлении сжатия пружины и способствующего открыванию клапана.

Приведенные на фиг. 1 графики показывают насколько существенно переходные процессы изменения тока в обмотке, в частности локальный максимум фильтрованного сигнала тока, зависят от величины давления газа на входе ЭМК при номинальном значении начального зазора между якорем и стопом ЭМ и стабилизированном напряжении питания. Таким образом ясно, что локальный максимум фильтрованного сигнала тока может служить источником информации для определения величины давления газа на входе ЭМК.

Существенное влияние величины напряжения питания на значение локального максимума фильтрованного сигнала тока демонстрируют переходные процессы, приведенные на фиг. 2. Видно, что увеличение напряжения питания приводит к возрастанию локального максимума фильтрованного сигнала тока. На фиг. 2 сплошной линией показаны переходные процессы, соответствующие напряжению питания 27 В, штриховой линией - переходные процессы, соответствующие напряжению питания 24 В, и пунктирной линией - переходные процессы при значении напряжения питания 30 В.

На фиг. 3 приведены экспериментальные данные, показывающие зависимость значения локального максимума фильтрованного сигнала тока I_max от действующей на якорь ЭМ нагрузки, вызванной давлением газа p на входе ЭМК, для разных значений стабилизированного напряжения питания.

Данные на фиг. 3 представлены в виде отдельных отсчетов, каждый из которых соответствует значению локального максимума фильтрованного сигнала тока, полученного из переходного процесса в обмотке ЭМ при конкретных величинах стабилизированного напряжения питания и нагрузки на якорь ЭМ. Численные значения этих отчетов приведены в таблице 1. На фиг. 3 данным, полученным при напряжении питания 33 В, соответствует знак «*», при напряжении питания 30 В - «о», при напряжении питания 27 В - «х», и при напряжении питания 24 В - «+». Зависимости локального максимума фильтрованного сигнала тока от давления на входе ЭМК при стабилизированном напряжении источника питания носят монотонно убывающий характер.

На практике для мониторинга давления газа на входе ЭМК удобно использовать обратные зависимости, где в качестве аргумента будет рассматриваться значение локального максимума фильтрованного сигнала тока, которому можно поставить в соответствие оценку величины давления газа.

Приведенные в таблице 1 экспериментальные данные для каждого стабилизированного значения напряжения питания могут быть аппроксимированы, например, методом наименьших квадратов, полиномиальным выражением вида (1). Результаты расчета постоянных коэффициентов аппроксимации, соответствующих экспериментальным данным, приведенным в таблице 1, помещены в таблицу 2.

Построенные с использованием коэффициентов аппроксимации, приведенных в таблице 2, аппроксимирующие кривые вида (1) для четырех значений стабилизированного напряжения питания показаны на фиг. 4. Обозначения дискретных экспериментальных отсчетов соответствуют приведенным на фиг. 3. Эти четыре кривые могут быть использованы в качестве опорных для построения зависимостей оценки нагрузки на входе ЭМК для любого произвольного значения напряжения питания из допустимого диапазона 24…33 В. Для этого можно, воспользовавшись, например, методом линейной интерполяции, на основании значений коэффициентов аппроксимации, приведенных таблице 2, рассчитать их значения соответствующие некоторому конкретному измеренному значению напряжения питания. Полученные значения коэффициентов можно применить для оценки значения давления газа на входе ЭМК с использованием выражения (1).

Функциональная схема возможного исполнения устройства для реализации предлагаемого способа для мониторинга давления на входе нормально закрытого газового ЭМК приведена на фиг. 5.

Устройство содержит (см. фиг. 5) последовательно соединенные источник питания (1) и ключ (2), выход которого соединен со входом ЭМ (3), измеритель тока (4), выполненный на измерительном резисторе Rs, фильтр нижних частот (5), микроконтроллер (МК) PIC16F1778-I/SO (6), приемопередатчик RS-485 (7), связанный двунаправленной линией с внешними устройствами, диод VD, соединенные последовательно первый и второй резисторы R1 и R2 и соединенные последовательно третий и четвертый резисторы R3 и R4. Причем первый вывод первого резистора R1 соединен с входом фильтра нижних частот (5) и выводом 22 МК (6), второй вывод первого резистора R1 соединен с выводом 23 МК (6). Первые выводы измерительного и четвертого резисторов Rs и R4 соединены с выходом ЭМ (3), а вторые выводы второго, третьего и измерительного резисторов R2, R3 и Rs соединены с отрицательным выводом источника питания (1), выводами 8 и 19 МК (6) и анодом диода VD, катод которого соединен с выходом ключа (2) и входом ЭМ (3). Второй вывод четвертого резистора R4 соединен с выводом 24 МК (6). Управляющий вход ключа (2) соединен с выводом 11 МК (6). Вывод 16 МК (6) соединен с выходом приемопередатчика RS-485, два входа которого соединены соответственно с выводами 17 и 18 МК (6). Кроме того, в составе устройства задействованы соединенные по умолчанию с внутренней двунаправленной шиной следующие внутренние периферийные модули МК (6): модуль центрального процессора CPU (8), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) ADC (9), модуль памяти программ Program memory (10), модуль оперативной памяти RAM (11), модуль последовательного интерфейса USART (12), выход «ТХ» которого соединен с выводом 18 МК (6), а вход «RX» - с выводом 16 МК (6). Задействован также внутренний периферийный модуль - операционный усилитель ОРА2 (13), неинвертирующий вход которого соединен с выводом 24, а инвертирующий вход с выводом 23 МК (6), настроенными как аналоговые входы порта ввода/вывода PORTB. Выход операционного усилителя ОРА2 (13) соединен с выводом 22 МК (6), настроенным как аналоговый выход порта PORTB. Задействованы также внутренний периферийный модуль - блок формирования выходных сигналов COG1 (14) и таймеры Timer2 (15) и Timer4 (16), соединенные по умолчанию с внутренней двунаправленной шиной. Причем вход «AN11» АЦП ADC (9) соединен с выводом 25 МК (6), настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTB. Устройство также содержит измеритель напряжения (17), вход которого соединен с выходом источника питания (1), а выход - с выводом 4 МК (6). В составе устройства дополнительно задействованы соединенные по умолчанию с внутренней двунаправленной шиной следующие внутренние периферийные модули МК (6): конфигурируемые логические ячейки CLC1 (18), которая используется в качестве логического элемента «И», и CLC2 (19), которая используется в качестве логического элемента «ИЛИ», таймер Timer1 (20), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) DAC1 (21), компаратор СМР4 (22), а также разряды «RC6» и «RC0» регистра порта ввода/вывода PORTC. Причем разряд «RC0» соединен с выходом COGA блока формирования выходных сигналов COG1 (14) и с выводом 11 МК (6), настроенным как цифровой выход порта ввода/вывода PORTC. Счетный вход таймера Timer1 (20) соединен с выходом внутреннего тактового генератора, генерирующего сигнал Fclk. Выход таймера Timer1 (20) соединен с входом конфигурируемой логической ячейки CLC2 (19) и первым входом конфигурируемой логической ячейки CLC1 (18), второй вход которой соединен выходом компаратора СМР4 (22). Неинвертирующий вход компаратора СМР4 (22) соединен с выходом ЦАП DAC1 (21), а его инвертирующий вход - с выводом 26 МК (6), настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTB. Вход «AN2» АЦП ADC (9) соединен с выводом 4 МК (6), настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTA. Выход конфигурируемой логической ячейки CLC1 (18) соединен с входом Auto-conversion Trigger АЦП ADC (9). Выход конфигурируемой логической ячейки CLC2 (19) соединен с входом Rising Event Input Source блока формирования выходных сигналов COG1 (14) и счетными входами таймеров Timer2 (15) и Timer4 (16). Вход Auto-shutdown Source блока формирования выходных сигналов COG1 (14) соединен с выходом таймера Timer2 (15). Вывод 25 МК (6) соединен с выходом фильтра нижних частот (5). Разряд порта «RC6» регистра порта ввода/вывода PORTC соединен с выводом 17 МК (6), настроенным как цифровой выход порта ввода/вывода PORTC.

Работает устройство следующим образом. Источник питания (1) обеспечивает напряжение, необходимое для срабатывания ЭМ (3), и напряжение 5 В для питания элементов схемы. Ключ (2) является управляемым силовым ключом, выполняющим коммутацию напряжения на ЭМ (3) по сигналам управления, формируемым МК (6) [7]. Диод VD обеспечивает шунтирование ЭДС, возникающей при отключении ЭМ.

МК (6) управляет работой силового ключа (2) и приемопередатчика RS-485 (7), а также обеспечивает прием команд управления от внешнего устройства и передачу ему рассчитанного значения давления на входе ЭМК. Приемопередатчик RS-485 (7) преобразует логические сигналы МК (6) в дифференциальный сигнал полудуплексной интерфейсной многоточечной линии в соответствии с требованиями стандарта [8]. ЭМ (3) является объектом контроля и управления.

Включение ЭМ (3) на заданное время выполняется по командам, поступающим по интерфейсу RS-485 через приемопередатчик RS-485 (7) и вывод 16 МК (6). В качестве приемопередатчика RS-485 (7) может быть применена микросхема SN65HVD1785 [9]. Эта микросхема предназначена для использования в качестве приемопередатчика по стандарту RS-485 и для организации полудуплексного канала связи по соответствующим стандартам. Приемопередатчик RS-485 (7) соединен с модулем универсального асинхронного приемопередатчика UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) (12) МК (6) через его выводы 16 и 18. UART (12) представляет собой периферийное устройство МК (6).

Измерение напряжения питания производится с помощью измерителя напряжения (17), сигнал с выхода которого поступает на вывод 4 МК (6), настроенный как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTA, и далее на вход «AN2» АЦП ADC (9) при получении команды на включение ЭМ (3). При этом запуск измерения выполняется однократно под управлением программы. Измеренное значение напряжения питания Uп используется для расчета, например, методом линейной интерполяции коэффициентов С₂, С₁ и С₀ аппроксимирующего полинома по их табличным значениям для фиксированных значений напряжения.

Табличные данные о значениях постоянных коэффициентов С₂, С₁ и С₀ для заданных постоянных значений напряжения питания Uп могут быть загружены в энергонезависимую память Program memory (10) (см. схему фиг. 5) или на этапе программирования МК (6) при помощи стандартного программатора, или перед началом работы через последовательный интерфейс RS-485 с использованием приемопередатчика RS-485 (7) в процессе эксплуатации.

Измеритель тока (4) выполняет нормирование тока, протекающего через обмотку ЭМ (3), то есть преобразование его в напряжение, пропорциональное этому току. Для снижения величины потерь на измерителе тока (4), а также для согласования полученного напряжения с диапазоном входных сигналов АЦП ADC (9) использован операционный усилитель ОРА2 (22), входящий в состав внутренних периферийных модулей МК (6).

Измеритель тока (4) может быть выполнен в соответствии с рекомендациями, приведенными на FIGURE 1 Low-Side Current Sensing в [10]. Операционный усилитель OPA2 (13) включен по схеме дифференциального усилителя, например, как показано на Figure 8 в [10]. Такое решение позволяет получить высокую помехозащищенность за счет высокого подавления синфазного сигнала, что является важным для предлагаемого способа при измерении малой величины падения напряжения на измерительном резисторе Rs. Выходное напряжение операционного усилителя ОРА2 (13) через вывод 22 МК (6), фильтр нижних частот (5) и далее через вывод 25 МК (6) поступает на вход «AN11» АЦП ADC (9). По данному входу обеспечивается измерение тока, протекающего через обмотку ЭМ (3).

Кроме того, выходное напряжение фильтра нижних частот (5) поступает на вход компаратора СМР4 (22), где сравнивается с напряжением U_DAC1 с выхода ЦАП DAC1 (21), формирующего напряжение, соответствующее 0,2Imax. Imax - значение локального максимума фильтрованного сигнала тока при включении ЭМК, которое достигается для минимального значения напряжения питания при максимально возможном давлении на входе ЭМК. Такое решение задерживает запуск процедуры поиска локального максимума фильтрованного сигнала тока до достижения им величины 0,2Imax, задаваемой с помощью компаратора СМР4 (22). Работа процедуры поиска локального максимума фильтрованного сигнала тока продолжается до нахождения локального максимума или до истечения времени 1,25tmax, формируемого таймером Timer4 (16), где tmax - максимально допустимое время включения ЭМК.

Инвертированный сигнал с выхода СМР4 (22) поступает на вход элемента «И», сконфигурированного с использованием конфигурируемой логической ячейки CLC1 (18) (Configurable Logic Cell), на второй вход которой поступают тактовые импульсы с периодом следования T=N1/Fclk, где N1 - коэффициент деления Timer1 (20). Длительность периода T определяется суммой времени цикла преобразования АЦП ADC (9) и временем выполнения сравнения, предыдущего и текущего значений тока ЭМ (3). Таким образом, после превышения током в обмотке ЭМ (3) порогового значения, задаваемого ЦАП DAC1 (21), тактовые импульсы поступят на вход циклического запуска Auto-conversion Trigger АЦП ADC (9), обеспечивая циклические измерения без вмешательства программы.

Включение и отключение тока в обмотке ЭМ (3) осуществляется через блок формирования выходных сигналов COG1 (14) (COMPLEMENTARY OUTPUT GENERATOR MODULES), выход которого через разряд «RC0» регистра порта ввода/вывода PORTC и вывод 11 МК (6) управляет работой ключа (2). В качестве силового ключа (2) в устройстве может быть использован ключ верхнего уровня AUIPS7221R[11].

Включение блока формирования выходных сигналов COG1 (14) производится программно. Время включенного состояния задается как Ton=T*N2, где N2 - число, загружаемое в Timer2 (15) по команде устройства верхнего уровня. На счетный вход Timer2 (15) тактовые импульсы поступают через элемент ИЛИ, выполненный на конфигурируемой логической ячейке CLC2 (19). Формирование сигнала включения ключа (2) происходит с приходом переднего фронта тактового импульса на вход Rising Event Input Source блока формирования выходных сигналов COG1 (14) после его программного включения или сброса. Снятие сигнала включения ключа (2) произойдет при появлении сигнала на входе AUTO-SHUTDOWN SOURCE блока формирования выходных сигналов COG1 (14). Источником этого сигнала является сигнал с выхода TMR2_postscaled таймера Timer2 (15).

Длительность работы процедуры поиска максимума ограничивается интервалом времени, формируемым Timer4 (16), при срабатывании которого формируется признак неисправности ЭМК. При обнаружении локального максимума тока до окончания данного интервала счет Timer4 (16) останавливается программно. Поиск локального максимума считается законченным, когда текущее измерение тока I_i будет меньше значения полученного в предыдущем измерении I_i-1.

Блок-схема возможного алгоритма, реализуемого при работе заявляемого устройства, приведена на фиг. 6.

Для подтверждения работоспособности и эффективности предлагаемого технического решения была проведена серия экспериментов. При их проведении задавались некоторые произвольные значения нагрузки на якорь ЭМ и напряжения питания. Полученные результаты представлены в таблице 3.

В этой таблице приведены значения установленного при проведении экспериментов напряжения питания и соответствующие им значения коэффициентов аппроксимации, полученные линейной интерполяцией данных из таблицы 2. Далее в таблице 3 приведены значения давления на входе ЭМК, заданные при проведении описываемых экспериментов, и оценочные значения давления на входе ЭМК, полученные с использованием выражения (1) и коэффициентов аппроксимации из этой таблицы. В последнем столбце таблицы 3 показаны значения относительной погрешности мониторинга давления на входе ЭМК с использованием предложенного технического решения. Анализ приведенных данных показывает, что мониторинг давления газа на входе ЭМК обеспечивается с точностью не хуже 3%.

На графиках фиг. 7 показаны аппроксимирующие кривые, построенные для определения нагрузки на якорь (давления газа p на входе) по значению локального максимума фильтрованного сигнала тока I_max в обмотке ЭМ клапана при его открывании для номинального зазора и разных конкретных значений напряжения питания из допустимого рабочего диапазона. Графики построены на основании данных, приведенных в таблице 3.

На основании изложенного и приведенных данных экспериментальных исследований можно сделать вывод, что использование предлагаемого технического решения позволит с достаточной точностью определять конкретную величину давления газа на входе ЭМК и, в некоторых случаях построения систем автоматического регулирования, обходиться без непосредственного измерения давления традиционно применяемыми датчиками.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ СОЛЕНОИДНЫХ КЛАПАНОВ. RU 2758717 С1. Опубликовано: 01.11.2021. Бюл. №31.

2. DIAGNOSTIC DEVICE AND METHOD FOR SOLENOID VALVES. WO 2019/043573 A1. International Publication Date 07 March 2019 (07.03.2019).

3. DIAGNOSTIC DEVICE AND METHOD FOR SOLENOID VALVES. US 2021/0404577 Al. Pub. Date: Dec. 30, 2021.

4. CONTROL UNIT FOR A FUEL INJECTOR. US 10072596 B2. Date of Patent: Sep. 11, 2018.

5. РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ. RU 2773680 C2. Опубликовано: 07.06.2022. Бюл. №16.

6. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЯКОРЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. RU 2717952 С1. Опубликовано: 06.04.2021 Бюл.№10.

7. PIC16(L)F1777/8/9 28/40/44-Pin, 8-Bit Flash Microcontroller. [Электронный ресурс] // URL:https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/PIC16(L)F1777_8_9_Family_Dat a_Sheet_40001819D.pdf (дата обращения 20.11.2022).

8. ANSI TIA/EIA RS-485-A: (Recommended standard 485 Edition A) 1998. Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Balanced Digital Multipoint Systems.

9. [Электронный ресурс] // URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn65hvd1785.pdf (дата обращения 20.11.2022).

10. AN1332. Current Sensing Circuit Concepts and Fundamentals Microchip Technology Inc. [Электронный ресурс] // URL:http://www.microchip.com/support\ DS01332B (дата обращения 20.11.2022).

11. PWM INTELLIGENT POWER HIGH SIDE SWITCH [Электронный ресурс] // URL:https://www.infmeon.com/dgdl/AUIPS7221r.pdf (дата обращения 20.11.2022).

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей мониторинга давления, в том числе, определять с достаточной точностью конкретную величину давления газа на входе ЭМК и, в некоторых случаях, обходиться без непосредственного измерения давления традиционно применяемыми датчиками. Способ мониторинга давления на входе нормально закрытого газового электромагнитного клапана включает определение локального максимума тока в начале движения якоря электромагнита при подаче на его обмотку напряжения питания. Перед началом работы контролируют величину начального зазора между якорем и стопом электромагнита (ЭМ) клапана, и при каждом включении клапана измеряют напряжение источника питания, а затем сигнал, соответствующий величине тока в обмотке электромагнита при подаче на нее напряжения питания, обрабатывают фильтром нижних частот и определяют локальный максимум фильтрованного сигнала. Значения полученного локального максимума и измеренного напряжения источника питания используют для определения значения давления на входе газового электромагнитного клапана в момент его открытия с применением паспортных данных электромагнитного клапана о зависимости локального максимума фильтрованного сигнала от давления на входе электромагнитного клапана для номинального значения начального зазора между якорем и стопом электромагнита и известной величины напряжения питания. Для реализации заявляемого способа предложена функциональная схема устройства. Большинство элементов этой схемы, обеспечивающих обработку сигналов измерения тока и напряжения, выполнены с использованием ресурсов микроконтроллера и его внутренних периферийных модулей. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил., 3 табл.

1. Способ мониторинга давления на входе нормально закрытого газового электромагнитного клапана, включающий определение локального максимума тока в начале движения якоря электромагнита при подаче на его обмотку напряжения питания, отличающийся тем, что перед началом работы контролируют величину начального зазора между якорем и стопом электромагнита клапана, при включении клапана измеряют напряжение источника питания, а сигнал, соответствующий величине тока в обмотке электромагнита при подаче на нее напряжения питания, обрабатывают фильтром нижних частот, определяют локальный максимум фильтрованного сигнала по нескольким его последовательным отсчетам, значения полученного локального максимума и измеренного напряжения источника питания используют для определения значения давления на входе газового электромагнитного клапана в момент его открытия с применением паспортных данных электромагнитного клапана о зависимости локального максимума фильтрованного сигнала от давления на входе электромагнитного клапана для номинального значения начального зазора между якорем и стопом электромагнита и известной величины напряжения питания.

2. Способ мониторинга давления по п. 1, отличающийся тем, что до начала эксплуатации электромагнитного клапана при испытаниях в лабораторных или заводских условиях для номинального значения начального зазора между якорем и стопом электромагнита и установленной величины напряжения питания формируют таблицу, связывающую значения локального максимума фильтрованного сигнала, имеющего место при открывании клапана, и величины давления газа на входе клапана, действующего на якорь электромагнита в закрытом состоянии клапана, для чего нагружают якорь электромагнита клапана силой, соответствующей заданной величине давления газа, действующего на якорь электромагнита в процессе его работы в закрытом состоянии клапана, и определяют после подачи напряжения питания соответствующую величину локального максимума фильтрованного сигнала, имеющего место при открывании клапана, далее пару значений давления нагрузки и локального максимума фильтрованного сигнала запоминают, после чего изменяют величину нагрузки, действующей на якорь электромагнита, и определяют соответствующую ей величину локального максимума фильтрованного сигнала, имеющего место при открывании клапана, эту полученную пару значений давления нагрузки и локального максимума фильтрованного сигнала также запоминают, таким образом определяют и запоминают требуемое для формирования таблицы количество пар значений давления газа на входе клапана и соответствующих им величин локального максимума фильтрованного сигнала, имеющего место при открывании клапана, эту сохраненную таблицу используют для определения давления на входе электромагнитного клапана при его эксплуатации.

3. Способ мониторинга давления по п. 2, отличающийся тем, что полученную для номинального значения начального зазора между якорем и стопом электромагнита и установленной величины напряжения питания табличную зависимость значений давления газа на входе электромагнитного клапана и соответствующих им величин локального максимума фильтрованного сигнала, имеющих место при открывании клапана, аппроксимируют полиномиальным выражением вида

,

где p - величина давления газа на входе электромагнитного клапана;

I_max - значение локального максимума фильтрованного сигнала, имеющего место при открывании клапана, после подачи напряжения питания;

С₂, С₁, С₀ - определяемые по табличным данным, например методом наименьших квадратов, постоянные коэффициенты для каждой установленной величины напряжения питания и номинального значения начального зазора между якорем и стопом электромагнита,

из этих полученных значений постоянных коэффициентов формируют другую таблицу, в которой каждый набор постоянных коэффициентов соответствует каждому заданному конкретному значению напряжения источника питания и номинальному значению начального зазора между якорем и стопом электромагнита, эту таблицу значений постоянных коэффициентов также запоминают и используют для определения давления газа на входе электромагнитного клапана в момент его открытия.

4. Способ мониторинга давления по п. 3, отличающийся тем, что при эксплуатации электромагнитного клапана по измеренному значению напряжения на выходе источника питания, например методом линейной интерполяции табличных значений постоянных коэффициентов, определяют набор их значений, соответствующий измеренному значению напряжения питания, и с использованием полученного набора постоянных коэффициентов и определенной величины локального максимума фильтрованного сигнала, имеющего место при открывании клапана, и полиномиального выражения определяют давление газа на входе электромагнитного клапана в момент его открытия.

5. Способ мониторинга давления по п. 4, отличающийся тем, что соответствующий измеренному значению напряжения питания набор значений постоянных коэффициентов определяют в момент подачи напряжения питания на обмотку электромагнита клапана при его открытии, а значение давления газа на входе электромагнитного клапана с использованием полученного набора постоянных коэффициентов определяют после получения значения величины локального максимума фильтрованного сигнала, имеющего место при открывании клапана.

6. Способ мониторинга давления по п. 1, отличающийся тем, что полученное значение давления газа на входе нормально закрытого газового электромагнитного клапана передают внешним устройствам.

7. Способ мониторинга давления по п. 4, отличающийся тем, что измеренные значения величины напряжения источника питания и величины локального максимума фильтрованного сигнала, имеющего место при открывании клапана, передают внешним устройствам, а определение значения давления газа на входе электромагнитного клапана с использованием табличных значений постоянных коэффициентов С₂, С₁ и С₀ и указанного полиномиального выражения осуществляют с использованием внешних устройств.

8. Способ мониторинга давления по п. 4, отличающийся тем, что определение локального максимума фильтрованного сигнала после подачи напряжения питания начинают в момент времени, когда величина тока в обмотке электромагнита превышает значение 0,2 от величины локального максимума фильтрованного сигнала, которая достигается в процессе эксплуатации в случае минимально допустимого значения напряжения питания при максимально допустимом значении давления газа на входе электромагнитного клапана, а заканчивают определение локального максимума фильтрованного сигнала при достижении момента времени, равного 1,25 от максимально допустимого при эксплуатации интервала времени, отведенного на открытие электромагнитного клапана, и, если локальный максимум фильтрованного сигнала к этому моменту времени не найден, формируют сигнал об отказе клапана и передают его внешним устройствам.

9. Устройство для мониторинга давления на входе нормально закрытого газового электромагнитного клапана, содержащее последовательно соединенные источник питания и ключ, выход которого соединен с входом электромагнита, измеритель тока, выполненный на измерительном резисторе, фильтр нижних частот, микроконтроллер PIC16F1778-I/SO, приемопередатчик RS-485, связанный двунаправленной линией с внешними устройствами, диод, соединенные последовательно первый и второй резисторы, соединенные последовательно третий и четвертый резисторы, причем первый вывод первого резистора соединен с входом фильтра нижних частот и выводом (22) микроконтроллера, второй вывод первого резистора соединен с выводом (23) микроконтроллера, первые выводы измерительного и четвертого резисторов соединены с выходом электромагнита, а вторые выводы второго, третьего и измерительного резисторов соединены с отрицательным выводом источника питания, выводами (8) и (19) микроконтроллера и анодом диода, катод которого соединен с выходом ключа и входом электромагнита, второй вывод четвертого резистора соединен с выводом (24) микроконтроллера, управляющий вход ключа соединен с выводом (11) микроконтроллера, вывод (16) микроконтроллера соединен с выходом приемопередатчика RS-485, два входа которого соединены соответственно с выводами (17) и (18) микроконтроллера, кроме того, в составе устройства задействованы соединенные по умолчанию с внутренней двунаправленной шиной следующие внутренние периферийные модули микроконтроллера: модуль центрального процессора CPU, аналого-цифровой преобразователь ADC, модуль памяти программ Program memory, модуль оперативной памяти RAM, модуль последовательного интерфейса USART, выход «ТХ» которого соединен с выводом (18) микроконтроллера, а вход «RX» - с выводом (16) микроконтроллера, задействован также внутренний периферийный модуль - операционный усилитель ОРА2, неинвертирующий вход которого соединен с выводом (24), а инвертирующий вход с выводом (23) микроконтроллера, настроенными как аналоговые входы порта ввода/вывода PORTB, а выход операционного усилителя ОРА2 соединен с выводом (22) микроконтроллера, настроенным как аналоговый выход порта PORTB, задействованы также внутренний периферийный модуль - блок формирования выходных сигналов COG1 и таймеры Timer2 и Timer4, соединенные по умолчанию с внутренней двунаправленной шиной, причем вход «AN11» аналого-цифрового преобразователя ADC соединен с выводом (25) микроконтроллера, настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTB, отличающееся тем, что в него дополнительно введен измеритель напряжения, вход которого соединен с выходом источника питания, а выход - с выводом (4) микроконтроллера, кроме того, в составе устройства дополнительно задействованы соединенные по умолчанию с внутренней двунаправленной шиной следующие внутренние периферийные модули микроконтроллера: конфигурируемые логические ячейки CLC1, которая используется в качестве логического элемента И, и CLC2, которая используется в качестве логического элемента ИЛИ, таймер Timer1, цифроаналоговый преобразователь DAC1, компаратор СМР4, а также разряды «RC6» и «RC0» регистра порта ввода/вывода PORTC, причем разряд «RC0» соединен с выходом COGA блока формирования выходных сигналов COG1 и с выводом (11) микроконтроллера, настроенным как цифровой выход порта ввода/вывода PORTC, а счетный вход таймера Timer1 соединен с выходом внутреннего тактового генератора, а его выход - с входом конфигурируемой логической ячейки CLC2 и первым входом конфигурируемой логической ячейки CLC1, второй вход которой соединен выходом компаратора СМР4, неинвертирующий вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя DAC1, а инвертирующий вход - с выводом (26) микроконтроллера, настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTB, вход «AN2» аналого-цифрового преобразователя ADC соединен с выводом (4) микроконтроллера, настроенным как аналоговый вход порта ввода/вывода PORTA, выход конфигурируемой логической ячейки CLC1 соединен с входом Auto-conversion Trigger аналого-цифрового преобразователя ADC, выход конфигурируемой логической ячейки CLC2 соединен с входом Rising Event Input Source блока формирования выходных сигналов COG1 и счетными входами таймеров Timer2 и Timer4, вход Auto-shutdown Source блока формирования выходных сигналов COG1 соединен с выходом таймера Timer2, вывод (25) микроконтроллера соединен с выходом фильтра нижних частот, разряд «RC6» регистра порта ввода/вывода PORTC соединен с выводом (17) микроконтроллера, настроенным как цифровой выход порта ввода/вывода PORTC.