Способ измерения скорости вращения и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК G01P3/489 

Изобретение относится к измерител ной технике и может быть использовано для прецизионного измерения угловой скорости. Известен способ измерения скорост вращения вала путем формирования импульсов, период которых равен периоду вращения вала, последующего преоб разования . этих импульсов в импульсы стабильной воль- секундной площади и выделение среднего значения полученных импульсов l . Устройство, реализующее данный способ, содержит последовательно сое диненные частотный датчик, формирователь, амплитудный ограничитель, осредняющий блок, а также кварцевый генератор и вторую схему совпадения l . Этот способ и устройство для его реализации имеют низкую точность при больших ускорениях вала за счет инер ционности схемы выделения среднего значения импульсов, постоянная време ни которой выбирается исходя из мини мальной скорости вращения вала. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемо му результату является способ измере ния скорости вращения вала, согласно которому формируют измерительный нитервал, длительность которого равна двум периодам вращения вала, заполня ют измерительный интервал импульсами эталонной частоты, подсчитывают коли чество этих импульсов в текущем изме рительном интервале, а затем запоминают и преобразуют это количество в аналоговую форму в течение последующего измерительного интервала 2J . Устройство,реализующее данный спо соб, содержит последовательно соединенные датчик, усилитель, триггер и&1идта, первый и второй триггеры,логическую схему ИЛИ, формирователь импульсов перезаписи и сброса, выпол ненный на двух одновибраторах, после довательно соединенные генератор эталонной частоты, схему блокировки, счетчик, регистр памяти и цифро-анало говый преобразователь, мультивибратор, причем выход перезаписи формирователя импульсов перезаписи и сброса подключен к входу перезаписи регистра памяти, а выход сброса подключен к входу сброса счетчика, выход которого.подключен к входам схемы И, выход которой подключен к второму входу схемы блокировки, причем второй выход второго триггера подключен к третьему входу схемы блокировки, а выход триггера Шмидта соединен с входом мультивибратора, выходы которого соединены соответственно с входом усилителя и вторым входом схемы ИЛИ 2 Недостатком известного способа и устройства является низкая точность при широком диапазоне изменения контролируемой скорости вращения вала ввиду ограниченности числа разрезов цифро-аналогового преобразователя. Цель изобретения - повышение точности и быстродействия при широком диапазоне измерения скорости вращения вала. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения скорости вращения вала путем формирования измерительного интервала,длительность которого кратна длительности периода вращения вала, заполнения измерительного интервала N импульсами эталонной частоты, подсчета количества этих импульсов в текущем измерительном интервале, последующего запоминания и преобразования этого количества в аналоговую форму в течение последующего измерительного интервала, после заполнения измерительного интервала М импульсами эталонной частоты производится последовательное понижение частоты заполнения в К раз, где К любое наперед заданное целое число, и дальнейшее заполнение измерительного интервалам- импульсами каждой из частот до момента окончания измерительного интервала, причем сумма числа прошедших импульсов низшей из частот заполнения и числа К/К, а также число произошедших понижений запоминается. В устройство, реализующее указанный способ, содержащее датчик, генератор эталонной частоты, триггер, последовательно соединенные первый счетчик, первый регистр Пс1мяти и цифро-аналоговый преобразователь, формирователь импульсов перезаписи и сброса, выход перезаписи которого соединен с входом перезаписи первого регистра памяти, а выход сброса соединен с входом сброса первого счетчика, выходы которого соединены с входами схемы и, дополнительно введены мультиплексор, второй регистр памяти, второй и третий счетчики, причем счетшлй вход второго счетчика соединен с .выходом генератора эталонной частоты, а выходы . второго счетчика соединяются с сигнальными входами мультиплексора, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, вход которого соединен с выходс 4 триггера, установочный вход которого, а также счетный вход третьего счетчика соединены с выходом схемы И, входы сброса второго счетчика, третьего счетчика и триггера соединены с выход см сброса формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом датчика, а выход перезаписи-с входом перезаписи второго регистра памяти, входы которого соединены с управляющими входами мультиплексора и с выхо дами третьего счетчика, а выходы вто рого регистра памяти соединены с вто рыми входами цифро-аналогового преоб разователя. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства} на фиг. 2 - временная диаграмма, поясняющая работу устройства. Устройство для измерения скорости вращения вала, реализующее предлагае мый способ, содержит датчик 1, генератор эталонной частоты 2, первый, второй и третий счетчики 3, 4 и 5, формирователь импульсов перезаписи и ;броса 6, мультиплексор 7, первый и второй регистры памяти 8 и 9, схему И 10., триггер 11 и цифро-аналоговый преобразователь 12. Цифро-аналоговый преобразователь 12 может быть выполнен на основе операционного усилителя 13, источника опорного напряжения 14 и первый и второй резистинных матри.ц 15 и 16. Устройство работает следуинцим образ ом. Датчик 1, связанный с валом, формирует импульсы, период которых равен периоду вращения вала 3 (фиг. 2, IJ вых 1) По положительному фронту этих импульсов формирователь импульсов перезаписи и сброса 6 формирует короткие импульсь перезаписи и сброса (фиг. 2,Ugbix перезапись, U gjiix. 6 сброс). Генератор эталонной частоты 2 работает постоянно и его выходные импульсы с частотой 2i (фиг.2, У вых 2 ) поступают на вход второго счетчика 4, на выходах которого формируется сетка частот с частотами i, f/2, i/4 и т.д. (фиг. 2,tJgb,, 4). После появления импульса сброса (фиг. 2.,Ueb,,.. б сброс) первый, второй третий счетчики 3, 4 и 5 и триггер 1 сбрасываются в нулевое состояние. Нулевые уровни сигналов на управляющих входах мультиплексора 7 обеспечи вают подключение наивысшей выходной частоты второго счетчика (т.е. f) на счетный вход первого счетчика 3 (фиг. 2,11вь|х 7). Таким образом, первый счетчик 3 в начале каждого перио да выходного сигнала датчика 1 произ водит -подсчет импульсов частоты i . В момент времени i (фиг. 2) во всех разрезах первого счетчика 3 устанавливаются логические единицы, т.е. происходит его переполнение (фиг.2, iJebm зу. Это состояние выявляется пер вой схемой И 10, (фиг. 2,Ug|,,,( 10). Появление сигнала на выходе первой И 10 приводит к переключению триггера 11 (фиг. 2,Ugj,| 11) и записи числа один в третий счетчик 5 (фиг.2, Ujtix, 5) Выходной сигнал триггера 11 устанавливает старший разряд первого счетчика 3 в состояние логической единицы (фиг. 2, 3-3), причем это состояние в дальнейшем не изменятся до момента сброса триггера 11. Код числа один выходных сигналов третьего счетчика 5, подключенных к управляющим входам мультиплексора 7, приводит к подключению на счетный вход первого счетчика 3 выходы второго разряда второго счетчика 4, т.е. начиная, с момента времени i , первый счетчик 3 производит счет импульсов, частота которых понизилась в два раза и стала равной i /2. Далее первый счетчик 3 продолжает счет до заполнения единицами всех разрядов, кроме старшего разряда, который принудительно удерживается в единичном состоянии триггером 11. Заполнение единицами всех разрядов первого счет чика 3 приводит к.введению в третий счетчик 5 еще одной единицы, что приводит к понижению частоты импульсов на счетном входе первого счетчика 3 еще в два раза, и далее процесс в устройстве повторяется до молента окончания периода выходного сигнала датчика 1 сигналом перезаписи (фиг.2, Uebi;(, б перезапись) , информация из первого 3 и третьего 5 счетчиков переписывается в первый 8 и второй 9 регистры памяти, которые управляют первой 15 и второй 16 резистивными матрицами цифро-аналогового преобразователя 12. Выходное напряжение устройства, как это следует из схемы цифро-аналогового преобразователя 12, равно выи г где UQ - выходное напряжение источ.ника опорного напряжения 14; - сопротивление первой резистивной матрицы 15; - сопротивление второй резистивной матрицы. 16. Для нормальной работы устройства сопротивление второй резистивной матрицы 16 выбирается пропорциональным где i - число переменных частот заполнения, т.е. показание третьего счетчика 5 в момент окончания периода выходного сигнала датчика 1. Сопротивление первой резистивной матрицы 15 выбирается пропорциональным числу М, где М - количество импульсов заполнения наивысшей входной частоты первого счетчика 3, округленное до числа разрядов этого счетчика, т.е. число М - показания первого счетчика 3 в момент окончания периода выходного сигнала датчика 1. Таким образом г 1, -Ь .м где KO - коэффициент аропорциональности.

При этом, поскольку произведение 2. М пропорционально длительности измеряемого периода, то выходное напряжение устройства оказывается пропорциональным скорости враЕцения вала.

После окончания перезаписи информации из первого 3 и третьего 5 счетчиков в первый 8 и второй 9 регистры памяти формирователь импуль,аов перезаписи и сброса 6 формирует импульс сброса в исходное состояние счетчиков 3,4 и 5 и триггера 11, и процесс измерения начинается сначала. При этом в первом 8 и втором 9 регистрах памяти, а следовательно, и на выходе устройства сохраняется сигнал, соответствующий скорости вращения вала, измеренной за предыдущий период выходного сигнала датчика.

Таким образом, с помощью датчика, связанного с вращающимся валом. Формируется измерительный интервал, длительность которого в целое число отличается от периода вращения вала. В начале измерительный интервал запол няется импульсами с частотой i . Если число импульсов заполнения достигло числа К (в случае подсчета двоичным счетчиком может быть равно N 2, где п - число разрядов этого счетчика), а измерительный интервал еще не закончился, производится понижение частоты заполнения в К раз, где К основание счетчика в случае двоичного счетчика. Заполнение измерительного интервала N импульсами частотой i эквивалентно по времени заполнению N|K импульсами частот i/K, Поэтому счетчик, считающий число импульсов заполнения измерительного интерв ла частотой i/K, начинает свой счет не с нуля, а со значения N/lc. После прихода числа импульсов N-- частотой f|j состояние счетчика аналогично состоянию после прихода импульсов с частотой i . Далее происходит дальнейшее понижение частоты в К раз и процесс заполнения измерительного интервала продолжается до его окончания. При окончании измерительного интервала в счетчике зафиксирована сумма числа N/K и числа пришедших импульсов заполнения низшей частоты. Таким образом, полученная сумма, умноженная на период следования импульсов низшей частоты, равна длительно.сти измеряемого интервала. Поэтому для определения действительной скорости вращения вала необходимо запомнить и передать на цифро-аналоговый преобразователь эту сумму и число произошедших понижений частоты, которое однозначно характеризует величину периода низшей.частоты заполнения

При использовании предлагаемого способа при любой частоте вращения вала происходит автоматическое переключение величины заполняемой частоты, что предотвра цает ухудшение точности при увеличении частоты вращения вала, т.е. обеспечивает существеное улучшение точности устройства.

I

12

1. Способ измерения скорости вращения вала путем формирования измерительного интервала, длительность которого кратна длительности периода вращения вала, заполнения измерительного интервалам импульсами эталонной частоты, подсчета количества этих импульсов в текущем измерительном интервале, последующего заполнения и преобразования этого количества в аналоговую форму в течение последующего измерительного интервала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия при широком диапазоне измерения, после заполнения измерительного интервала Ч импульсами эталонной частоты производится последовательное понижение частоты заполнения в К раз, где К - любое наперед заданное целое число, и дальнейшее заполнение измерительного интервала -импульсами каждой из частот до момента окончания измерительного интервала, причем сумма числа прошедших импульсов низшей из частот заполнения и числа N/к, а также число произошедших понижений запоминается. . 2. Устройство для измерения скорости вращения вала, содержащее датчик, генератор эталонной частоты, триггер, последовательносоединенные первый счетчик, первый регистр памяти и цифро-аналоговый преобразователь, формирователь импульсов перезаписи и сброса, выход перезаписи которого соединен с входом перезаписи первого регистра памяти, а выход сброса соединен с входс 4 сброса первого счетчика, выходы которого соединены с входами схемы И, о т л ичающееся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия § при широком диапазоне измерения, в него введен мультиплексор, второй ре-f/1 гистр памяти, второй и третий счетчи ки, причем счетный вход второго счетчика соединен с выходом генератора эталонной частоты, а выходы второго счетчика соединяются с сигнальными входами мультиплексора, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика, вход которого соединен с выходом триггера, при этсм установочный вход триггера, а так- 0 .же счетный вход третьего счетчика соединены с выходом схемы И, входы сброса второго счетчика, третьего У счетчика -и триггера соединены с выходом сброса формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом датчика, а выход перезаписи-с входом перезаписи второго регистра памяти, входы которого соединены с управляющими входами мультиплексора и с выходами третьего счетчика, а выходы второго регистра памяти соединены с вторыми входами цифро-анало -ового преобразователя.

/4/б

оUon

. -o