Способ измерения частоты вращения вала и устройство для его осуществления Советский патент 1985 года по МПК G01P3/48 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в ши рокодиапазонных автома.тических системах равления . электроприводами, например, машин термической резки и станков с программным управлением. Известен способ определения скорости вращения, основанный на фазовом модули ровании сигнала на выходе фазовращателя 1. Недостатками такого способа являются невысокая точность и малый диапазон изм рения скорости вращения. Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения скорости врашени вала, основанный на измерении ухода фазы начала (п-ь1)-го периода сигнала на выход индукционного фазовращателя по сравнению с фазой начала (п+1)-го периода эталонно го напряжения, питающего фазовращатель, где п - заданное число периодов измерения 2. Наиболее билзким техническим решением для реализации предлагаемого способа явля ется устройство, содержащее индукционный фазовращатель, формирователь, счетчик пер одов, две схемы совпадения, генератор им пульсов, два счетчика импульсов, буферйый регистр, причем вход формирователя подключен к выходу фазовращателя, а его выход - к входу счетчика периодов, выход которого соединен с первыми, входами схем совпадения, вторые входы кото рых связаны с выходом генератора импульсов, выход первой схемы совпадения подключен к счетному входу первого счетчика импульсов, выход которого через нул . орган соединен с третьими входами схем совпадения, причем выход второй схемы совпадения подключен к счетному входу второго счетчика импульсов, а выходы первого и второго счетчиков связаны с входами буферного регистра 2. Однако при измерении известным способом имеет место нелинейность, которая снижает точность измерения. При этом нелинейность возрастает с ростом максимальной частоты вращения вала фазовращателя. Цель изобретения - повышение точности при одновременном сохранении быстродействия и диапазона измерения. Указанная цель достигается тем, что в способе, основанном на модуляции сигнала на выходе индукционного фазовращателя и измерении его фазы, мгновенное значение напряжения на выходе индукционного фазовращателя фиксируют в момент 52 времени, кратный nepHo;iy напряжения питания ин)укционного фазовращателя, затем измеряют интервал времени от момента перехода напряжения питания индукционного фазовращателя через нуль до момента достижения этим напряжением величины зафиксированного напряжения, по величине которого судят о частоте, вращения вала. Устройство для измерения частоты вращения вала , содержащее индукционный фазовращатель, генератор импульсов, выход которого соединен с первыми входами первой и второй схем совпадения, выход первой схемы совпадения связан с первым входом первого счетчика импульсов, а его выход - с входом нуль-органа,, выход второй схемы совпадения - с входом второго счетчика импульсов, а его выход соединен с входом первого буферного регистра, снабжено схемой выборкихранения аналогового сигнала, двумя схемами определения модуля, тремя узлами «сравнения, тремя триггерами, третьей-пятой схемами совпадения и вторым буферным регистром. Причем выход индукционного фазовращателя подключен к первому входу схемы выборки-хранения аналогового сигнала, выход которой соединен с входом второго буферного регистра и с входом перъоя схемы определения модуля, выход которой соединен с вторым входом первого узла сравнения, первый вход индукционного фазовра-. щателя соединен с входом второй схемы определения модуля, выход которой связан с первым входом первого узла сравнения и с входом второго узла сравнения, выходы первого и второго узлов сравнения подключены к первым входам четвертой и третьей схем совпадения соответственно, а вторые вхоЩ) третьей и четвертой схем совпадения соединены с выходом нуль-органа, выход третьей схемы Совпадения связан с первым, а выход четвертой - с вторым входами первого триггера, выход которого соединен с вторым входом второй схемы совпадения, выход нуль-органа соединен с вторым входом схемы выборки-хранения аналогового сигнала и с первым входом второго триггера, выход которого связан с вторым входом первой схемы совпадения, второй вход этого триггера подключен к выходу пятой схемы совпадения и к первому входу третьего триггера, второй вход этого триггера соединен с выходом четвертой схемы совпадения и с вторым входом первого счетЗДка импульсов, выход индукционного фазовращателя связан с входом третьего узла сравнения, выход которого соединен с первым входом пятой схемы совпадения, второй вход которой соединен с -выходом третего триггера.

На фиг. 1 изображены временные диаграммы, поясняющие предлагаемый способ; на фиг. 2 - функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие реализацию предлагаемого способа в этом устройстве..

На чертежах приняты следующие обозначения:, Ц - сигнал на выходе индукционного фазовращателя ( U(p4 - при положительном направлении вращения вала, (J, при отрицательном направлении вращения вала); 2 - время измерения; - мгновенное значение напряжения на выходе индукционного фазовращателя в момент Р,

UQ - напряжение питания индукционного фазовращателя; .ui - измеряемый интервал времени; Ц- - число импульсов, определяюшее измеряемую скорость; N п - число нмпульсов высокой частоты i , соответствующее (1 периодам измерения; ig частота вращения фазовращателя; Uex сигнал на выходе схемы выборки-хранения;

- время хранения зафиксированного уровня напряжения; X - сигнал направления вращения вала фазовращателя.

Устройство для измерения частоты вращения вала содержит индукционный фазовращатель 1, узлы 2-4 сравнения, триггеры 5-7, схемы 8-12 совпадения, генератор 13 нмпульсов, счетчики 14 и 15 импульсов, нуль-орган 16, схему 17 выборкихранения аналогового сигнала, схемы 18 н 19 определения модуля, буферные регистры 20 и Ъ.

В устройстве выход генератора 13 нмпул оов соединен с первыми входами схем 9 и 10 совпадения, выход схемы 9 совпадени связан с первым входом счетчика 14 импульсов, выход которого соещтен с входом нуль-органа 16. Выход схемы 10 совпадения соединен с входом счетчика 15 нмпульсов, а выход последнего с входом первого буферного регистра 20. Выход индукционного фазовращателя 1 подключен к первому входу схемы 7 выборки-хранения аналогового сигнала, выход которой соединен с входом буферного регистра 21 и с входом схемы 19 определения модуля, а ее выход - с вторым входом узла 3 сравнения. Первый вход индукционного фазовращателя 1, на который подается напряжение питания фазовращателя, соединен с входом схемы 18 определения модуля, выход которой связан с первым входом узла 4 сравнения и с входом узла 3 сравнения.

выход которого и выход узла 4 сравнения соответственно подключены к первым входам схем 11 и 12 совпадения, а их вторые входы соединены с выходом нуль-органа 16. Выход схемы 12 совпадения связан с первым, а выход схемы 11 совпадения - с вторым входагл триггера 7, выход которого соединен с вторым входами Tjmrrepa 7, выход которого соединен с вторыми входами схемы 10 совпад€ пш. Выход нуль-органа 16 также соединен с вторь м. входом схемы вы борки - хранения аналогового сигнала 17 и с первым входом триггера 6, выход которого связан с вторым входом схемы 9 совпадения. Второй вход триггера 6 подключен к выходу схемы 8 совпадения и первому входу триггера 5, второй вход этого триггера 5 соединен с выходом схемы 11 совпадения и вторым входом (входом записи) счетчика 14 импульсов. Выход индукционного фазовращателя 1 связан с входом узла 2 сравнения, выход которого соединен с первым входом схемы 8 совпадення, второй вход которой соединен с выхдом триггера 5.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

С момента начала периода сигнала на выходе индукционного фазовращателя отмеряют время

2u-n|.io7

(I)

где ь ц - время измерения;

и - число периодов измерения; f - частота напряжения питания фазовращателя.

При вращении вала индукционного фазовращателя с частотой i. частота сигнала Яф на его выходе равна (фиг. 1)

ВЫЛ - J

(2)

позтому в момент времени мгновенное значение напряжения на выходе фазовращателя

ь,.Аб;42(оПвПУ,

где А - амплитуда сигнала на выходе инд)ционного фазовращателя.

Это значение напряжения запоминают с по-., мощью фиксатора уровня. Затем измеряют интервал времени между точкой перехода через нуль - синусоидального напряжения, питающего индукционный фазовращатель U А Qtn х (на возрастающей или на убьтающей его части) и точкой, в которой это синусои- j

дальное напряжение совпадает по величине с зафикснрованным уровнем. В этой последней точке справедливо соотношение

jUcJ lft9;n2 io&M(4)

Из (3) и (4) следует, что - 1 X JL

tt6ia.(5)

Измерение указанного интервала времени проводят в тот период напряжения питания индукционного фазовращателя, который следует непосредственно за моментом IJ.

Полученное соотношение показывает связь между интервалом времени ui и частотой вращения вала фазовращателя ig .

Направление вращения определяют по знаку зафиксированного напряжения.

Предлагаемый способ позволяет повысить точность измерения частоты вращения вала, так как обеспечивает линейную зависимость выходного сигнала от частоты вращения вала индукциоиного фазовращателя во всем диапазоне измерения.

Устройство, реализующее предложенный способ, функционирует следующим образом.

В исходном состоянии в счетчике 14 записано число N f| , соответствующее И периодам измерения. Триггеры 6 и 7 находятся в состоянии, запрещающем прохождение импульсов от генератора 13 импульсов через схемы 9 и 10 совпадения соответственно. Сигнал на выходе триггера 5 разрешает прохождение сигнала через схему 8 совпадения.

Фазомодуляроваиный синусоидальный сигнал и а; с выхода индукционного фазовра имтеля 1 поступает на узел сравнения (нульорган) 2, который формирует короткий импульс в момент перехода этого сигнала через нуль на возрастающей его части. Этот импульс, проходя через схему 8 совпадения (по ее первому входу), на втором входе которой имеется разрешающий сигнал с триггера 5, переводит триггер 6 (по второму входу) в состояние, которое разрещает прохождение сигнала через схему 9 совпадения. Импульс, иа выходе схемы 8 совпадения переводит также триггер 5 в состояние, запрещающее прохождение сигнала через схему 8 совпадения.

Импульсь от генератора 13 через схему 9 совпадения поступают на первый вход счетчика 14 импульсов, работающего в режиме вычитания. Счетчик 14 импульсов во время

цикла измерения обнуляется в момент времени

S.Mjl,

1

i - частота имйуЛьсов, а 7

где

При этом нуль-орган 16, срабатывая, переводит триггер 6 в состояние, запрещающее прохождение импульсов через схему 9 совпадения. Сигнал на выходе нуль-органа 16 разрешает прохождение импульсов через схемы 11 и 12 совпадения, а также переводит

5 схему 17 выборки-хранения аналогового сигнала в режим Хранение. Схема 17 выборки-хранения аналогового сигнала до момента Сц удерживается сигналом на выходе нуль-органа 16 в режиме Выборка. Таким

0 образом, на схеме 17 выборки-хранения аиалогового сигнала запоминается уровень напряжения и -г у в соответствии с (3), которое затем преобразуется в однополярное схемой 19 определения модуля.

5 Напряжение питания UQ индукционного фазовращателя схемой 18 определения модуля преобразуется в однополярное пульсирующее напряжение ) U о j f

Это однополярное пульсирующее напряжение (Uol подается иа вход узла сравнения (нуль-органа) 4, который вырабатывает короткий импульс в момент перехода пульсирующего напряжения через нуль, и это пульсирующее напряжение также подается на пер-. вый вход узла 3 сравнения, иа второй вход которого в качестве опорного подается сигнал с выхода схемы 19 сяределения модуля. На выходе узла 3 сравнения вырабатывается короткий ИIvmyльc в момент, определяемый равенством (4). Импульсы с выходов узлов 4 и 3 сравнения через схемы 12 и 11 совпадения поступают на первый и второй входы триггера 7, переводя его в состояние, противоположное исходному, а затем снова в исходное состояние. В интервале времени между этими импульсами генератор 13 импульсов через схему 10 совпадения заполняет счетчик J5 импульсов. Таким образом в счетчике оказывается число

N--a-i

(6)

М - подсчитанное число импульсов;

где i - частота заполняющих импульсов. Из (6) и (5) следует, что

.-V. Подсчитанное в соответствии с (7) число импульсов переписывается в буферный регистр 20, где хранится до следующего измере иия, одновременно в регистр 21 записывается код X знака напряжения, зафиксированното на схеме выборки-хранения. В буферном регистре 20 оказывается, таким образом, код частоты вращения вала фазовращателя, а в регистре 21 - код направления вращения вала. Короткий импульс с выхода схемы 11 совпадения поступает также на второй вход счетчика 14 импульсов и он устанавливается в исходное состояние, при этом в нем записано число N (1 . Этот же импульс поступает на второй вход триггера 5 и переводит его в исходное состояние. Изменивщийся вследствие записи в счетчик 14 импульсов числа N (, сигнал на выходе нуль-органа 16 закрывает схемы 11 и 12 совпадения и переводит схему выборки-хранения аналогового сигнала 17 в режим Выборка. Предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерения частоты вращения вследствие полной линейности характеристики измерения во всем диапазоне измеряемых скоростей при сохранении быстродействия и днапа зона измерения.

1. Способ измерения частоты вращения вала путем модуляции сигнала на выходе индукционного фазовращателя и измерення его фазы, отличающи. йен тем, что, с целью повышения точности при сохранении быстродействия и диапазона измерения, мгновенное значение напряжения на выходе индукционного фазовращателя фнкснруют в момент времени, кратный периоду напряжения питания индукционного фазовращателя, затем измеряют интервал времени от момента перехода напряжения пнтання индукционного фазовращателя через нуль до момента до(;тизкения этим напряжением величины зафиксированного напряжения, по. величине которого судят о частоте вращения вала. 2. Устройство для измерения частоты вращения вала, содержащее индукционный фазовращатель, генератор импульсов, выход которого соединен с первыми входами первой и второй схем совпадення, выход первой схемы совпадення связан с первым входом первого счетчика импульсов, а его выход - с входом нуль-органа, выход второй схемы совпадения - с входом второго счетчика импульсов, а его выход соединен с входом первого буферного регистра, отличающееся тем, что оно снабжено схемой выборки-хранення аналогового сигнала, двумя схемами определения модуля, тремя узлами сравнения, тремя триггерами, третьей-пятой схемами совпадення и вторым буферным регистром, причем выход индукционного фазовращателя подключен к Первому входу схемы выборки-хранення аналогового сигнала, выход которой соединен с входом второго буферного регистра и с входом первой схемы определения модуля, выход которой соединен с вторым входом первого узла сравнения, первый вход индукционного фазовращателя соединен с входом второй схемы определения модуля, выход которой связан с первым входом первого узла сравнения и с входом второго узла сравнения, выходы первого и второго узkn лов сравнения подключены к первым входам четвертой и третьей схем совпадения соответственно, а вторые входы третьей и четвертой схем совпадения соединены с выходом нуль-органа, выход третьей схемы совпадення связан с первым, а выход четвертой - с вторым входами первого триг-. гера, выход которого соединен с вторым входом второй схемы совпадення, выход нуль-органа соединен с вторым входом схемы выборки-хранения аналогового сигнала и с первым входом второго триггера, выход которого связан с вторым входом первой схемы совпадення, второй вход зтого трнггера подключен к выходу пятой схемы, совпадення н к первому вхьду третьего трнггера, второй вход этого трнггера соединен с выходом четвертой схемы совпадення и с вторым входом первого счетчика импульсов, выход индукционного фазрвраща-. теля связан с входом третьего узла сравнения, выход которого соединен с первым входом пятой схемы совпадення, второй вход которой соединен с выходом третьего трнггера.

Фиг.1