Цифровой измеритель скорости Советский патент 1982 года по МПК G01P3/489 

(5) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ

1

Изобретение относится к технике контроля и регулирования и может быть использовано для измерения низких скоростей вращения и линейных перемещений различного рода валов и механизмов металхгарежущих станков.

Известно устройство для преобразования угловой скорости вращения вала в частоту следования импульсов, содержащее фазовращатель, подсоединенный : входом через фазоврасщепительный блок и делитель частоты к генератору эталонной частоты, а выходом через умножитель частоты к первому входу блока сравнения, причем второй вход блока сравнения связан с выходом генератора 1 .

Недостатками такого устройства является то, что выходной сигнал не имеет нулевого значения при скорости вращения вала, равной нулю, устройство не позволяет также измерять достаточно точно низкие скорости вращения вала, имеет низкие

скорости линейного перемещения при использовании в качестве датчика линейного .перемещения фазовращателя типа линейЯого индуктосина из-за слишком высокой частоты питания фазо-. вращателя, а также имеет вследствие этого низкий диапазон измерения скоростей и может измерять только модуль скорости.

Известно также устройство цифро10вого измерения скорости, содержащее частотный датчик, блок задания временного интервала, вентиль, генератор эталонной частоты С 2.

К недостаткам этого устройства

15 можно отнести низкую точность измерен ния при низких скоростях вращения из-за увеличения времени измерения, что увеличивает динамические ошибки, например, при использовании его

20 в системе автоматического регулирования технологического процесса .

Известен цифровой измеритель низ-: кой скорости, содержащий фазовраща39тель, первый формирователь, делитель частоты, генератор эталонной частоты, цифровой частотомер и первый канал измерения, состоящий из триггера, двухвходовой схемы И, накопитель ного счетчика и трехвходовой схемы И, при этом выход фазовращателя через первый формирователь и делител частоты соединен с первым входом триггера, являющимся первым входом первого канала измерения, и с первым входом трехвходовой схемы И, второй вход которой подключен к второму вхо ду двухвходовой схемы И и к выходу триггера, а третий вход к выходу генератора эталонной частоты, являющемуся вторым входом первого канала измерения., и к первому входу двухвхо довой схемы И, выход которой через накопительный счетчик соединен со вт рым входом триггера 3. Однако указанное устройство имеет узкие функциональные возможности его использования из-за невозможности использования его при изме рении пути, когда требуется по условиям точности достаточно высокая частота питания фазовращателя, а также невозможно измерить им скорос без дополнительных устройств при см не направления вращения подвижной части фазовращателя, т.е. при друго направлении вращения вообще не изме ряется скорость. Недостаток устройства заключается также в низкой „ ТОЧНОСТИ измерения малой скорости вращенуя, заключающийся в том, что фактическая частота выходного напря жения фазовращателя снимается с дел теля частоты, определяется по выражению . f,J.PH где N-, - емкость делителя частотыj f - частота переменных-напряжений, питающих обмотку статора фазовращателя; Р. - число пар полюсов фазовращателя;п - скорость вращения ротора, об/мин. Коэффициент деления делителя частоты М|Установленного после формирователя импульсов, фактически снимает эффективное значение пар полюсов фазовращателя, снижая тем самым точность измерения низких скоростей вращения, и в целом снижается диапа зон измерения низких скоростей. Цель изобретения - увеличение диапазона и точности измерения низкой скорости и расширение функциональных возможностей за счет дополнительного измерения пути. Поставленная цель достигается тем, что в цифровой измеритель скорости и пути введены два смесителя частоты, второй формирователь, блок измерения и индикации пути, первый инвертор, схема ИЛИ, согласующий делитель частоты, блок индикации знака скорости и второй канал измерений, в каждый канал измерения дополнительно введены два инвертора и вторая трехвходовая схема И, причем выходы смесителей подключены ко входам фазовращателя, выход которого через второй формирователь соединен с блоком измерения и индикации пути, выход делителя частоты подключен через первый инвертор к первому входу второго канала измерения, а через второй инвертор - к первому входу второй трехвходовой схемы И, с вторым входом которой через третий инвертор соединен выход триггера, третий вход второй трехвходовой.схемы И подключен к выходу генератора эталонной частоты и второму входу второго канала измерения, а выход ее, являющийся первым выходом первого канала измерение, к первому входу блока индикации знака, второй вход которого соединен с выходом первой трехвходовой схемы И, являющимся вторым выходом первого канала измерения , выходы обоих каналов измерения через схему ИЛИ и согласующий делитель частоты подключены к цифровому частотомеру о На чертеже представлена схема цифрового измерителя скорости; на фиг. 2 - его временные диаграммы. Устройство содержит фазовраща тель 1 двухфазного питания, например любой из датчиков для кругового типа сельсин, линейный вращающий трансформатор типа СКВТ, индуктосин, редуктосин, резольвер, а в качестве линейного фазовращателя линейный индуктосин типа ДЛМ-11 двухфазного питания головки и выходной обмотки, расположенной на линейке, соединенный с контролируемым объектом и связанный через второй формирователь 2 с блоком измерения и индикации пути 3, через первый формирователь k с делителем ча- стоты 5 и блоком вычитания 6 длительности полупериода возбуждающего напряжения фазовращателя 1 из полупериода напряжения делителя частоты s 5, поделенных на коэффициент делителя частоты, состоящего из последовательно соединенных триггера 7 с разделенными входами, двухвходового элемента И 8 и накопительного ю счетчика 9, при этом входы триггера 7 соединены с выходом делителя частоты 5 и накопительного счетчика 9, первый вход двухвходового элемента И 8 подключен к выходу гене- 15 ратора эталонной частоты 10, его выход подсоединен к входу накопительного счетчика 9 з выход триггера 7 подсоединен ко второму входу двух входового элемента И 8, выходы дели- 20 теля частоты 5, триггера 7 и генератора 10 подсоединены к входам трехвходового элемента И 11, выход которого через согласущий делитель частоты 12 подключен к цифровому час- 25 тотомеру 13о Дополнительно введен еще один канал измерения 1k во втором полупериоде возбуждающего напряжения фазовращателя 1, связанный с выходом зо делителя частоты 5 через инвертор 15| а синусная 16 и косинусная 17 обмотки фазовращателя 1 включены на выходах соответствующих смесителей частоты 18 и 19 высокочастотного напряжения с низкочастотным, формирователи импульсов 2 и k выполнены на базе активнь1Х узкополосных фильтров с высокими коэффициентами передачи, причем в первый 20 и д второй 1k каналы измерения в каждый дополнительно введены два инвертора 21 и 22, входами подсоединенные к выходам делителя частоты 5 и триггера соответственно, а их выходы д, и выход генератора 10 соединены со входами второго трехвходового элемента И 23 другого знака скорости, причем выходы двух трехвходовых элементов И 11 и 23 каждого из каналов 20 и Ш подключены ко входам четырехвходового элемента ИЛИ 2, выход которого через согласующий делитель частоты 12 соединен с цифровым частотометром 13 а выходы первого и второго трехвходовых элементов И 11 и И 23 одного иЗ каналов измерения, например, 20, подключены к блоку индикации знака скорости 25. гов бот етс а с лит Где : Зна или про возб нию но цифр сти ност од кана мать ство пери пряж дели выра где выхода делителя частоты 5 круго фазовращателя 1 с учетом радвух каналов измерения снимасигнал ,,H. линейного фазовращателя 1 с деля частоты 5 снимается сигнал :, .мзд, ,„ fp - частота питающих напряжеНИИ фазовращателей} п - скорость вращения ротора, об/мин; РХ) - ЧИСЛО пар полюсов фазовращателя кругового типа; РЛ - число пар проводников, участвующих в. генерировании выходного сигнала линейноно го и нду ктоси на j V - скорость линейного перемещения головки индуктосина ММ/МИН; h - шаг обмотки, при прохождении которого выходное напряжение измеряется на N - коэфициент деления делите-. ля частоты 5. плюс говорит о том, что ротор головка фазовращателя движутся ив направления магнитного поля уждения, а минус по направлеполя фазовращателя 1. Минимальвозможную скорость, измеряемую овым измерителем низкой скороможно получить из условия точи измерения, т.е. за один периапряжения питания с учетом двух лов измерения 20 и 1 должно снися минимально возможное количеимпульсов заполнения разности одов питающего и выходного наения фазовращателя, снимаемых с теля частоты 5, определяемое по жению (To-T)fr, TO период напряжения фа-,, зовращателя 1, снимаемый с выхода делителя частоты 5 период текущего значения напряжения фазовращателя 1 с учетом коэффициента деления делителя частоты 5 ff. - частота импульсов ге нератора эталонной частоты, Гц. Подставляя в (З) выражения (1) и (2), получим соответствующие выражения для определения минимально возможных скоростей измерения цифровым измерителем низкой скорости, mm o rn-in- P2( ) Исходя из условия устойчивого измерения временные диаграммы на фиг.26 и 26 скорости,определим максимально возможные скорости из того, что максимально возможное приращение частоты fвторое слагаемое в выражениях 1 и 2) по условию устойчивого измерения скорости не должно пре вышать частоты на выходе делителя частоты 5 при нулевой скорости.определяемое по выражениям feolnf Максимально возможный диапазон измерения скорости определяется для любого исполнения фазовращателя по выражению Анализ выражений () и (5) позво ляет сделать вывод о том, что наибольшее снижение низких скоростей измерения обеспечивается за счет с жения частоты питающего фазовращатель напряжения, а не за счет увеличения коэффициента деления делит ля частоты 5, так как минимально возможные скорости измерения наход ся в квадратичной зависимости от f Анализ выражения (8) показывает то что со снижением частоты (увеличения периода Т) на выходе блока вы тания длительности полупериода воз буждающего напряжения фазовращателя из полупериода напряжения делителя частоты 5 при нулевой скорост удается также увеличить диапазон измерения низких скоростей фазовра 1 щателя. Наиболее перспективным явяется использование одного и того же фазовращателя для измерения пути и скорости пя этого обеспечение высокой точности одновременного измерения пути, пройденном подвижной частью датчика, и скорости его перемещения целесообразно для измерения пути использовать высокую частоту питания датчика, которая равна 10 кГц в серийно выпускаемых устройствах измерения пути УЦИФ51, УЦИФ513, а также в числовых програмных устройствах, предназначенных для управления металлорежущими станками, а для измерения скорости - низкую частоту питания датчика (в зависимости от заданного быстродействия она должна лежать в пределах от ТОО ДО 500 Гц, а для инерционных систем и ниже), со снижением которой растет точность и расширяется диапазон измерения низких скоростей. Все это обусловило запитывать фазовращатель разными по частоте напряжениями, а на выходе ставить усилители формирователи, настроенные каждый на определённую (высокую и низкую) частоту, причем полоса пропускания скоростного канала измерения для обеспечения устойчивого измерения скорости для реверсивного исполнения датчика должна лежать в пределах . СЭ) Устройство работает следующим образом. На вход фазовраи1ателя 1 на синусную обмотку 16 подается суммарное значение смешанного по частоте смесителем 18 напряжение двух частот (высокочастотного и низкочастотного) . На косинусную обмотку 17 фазовращателя 1 подаются напряжения таких же частот, но сдвинутые по фазе относительно соответствующих напряжений на угол в 90 электрических градусов, снимаемые с выхода смесителя 1Э напряжение с выхода фазовращателя 1, отфильтрованное и преобразованное в прямоугольные импульсы высокочастотным формирователем 2, подается на блок измерения и индикации пути 3 (фиГо 2), ас выхода низкочастотного формирователя k подается на вход делителя частоты 5 емкостью N. Емкость делителя частоты 5 выбирается из того условия, что если не удается значительно снизить частоту питания фазовращателя (например, из-за снижения на низких частотах коэффициента магнитной свя зи между обмотками фазовращателя, особенно при выполнении его в безиндуктивном варианте), В линейном индуктосине типа ДЛМ-11 возможно без ущерба для измерения понизить частоту с 10 кГц до 1 кГц, а делите лем частоты 5 еще дополнительно снизить до 100 Гц. На временной диаграмме 2а изображена осциллограмма измерения скорости фазовращателя. Нулевым потенциалом с выхода делите ля частоты 5 (фиг, 26) навыходе триггера 7 с раздельными входами устанавливается положительный потен циал (фиг. 2в). При этом подготавли вается элемент И 11 , открывается элемент И 8 и на накопительный счетчик 9 поступают импульсы напряжения генератора эталонной частоты 10 (фиГо 2г). Длительность положительного пря моугольного импульса, формируемого на выходе триггера 7, устанавли вается равной полупериоду напряжени с выхода делителя частоты 5 при ско рости ротора или при скорости головки линейного перемещения, фазовращателей, равной нулю. Для этою го емкость накопительного счетчика должна удовлетворять условию NJ N, -Г-г ( Во второй половине периода напряжения с выхода делителя частоты 5 положительным потенциалом открывается элемент И 11 и импульсы напряжения генератора эталонной часто ты 10 поступают на первый вход сумм рующего элемента ИЛИ 2k (фиг. 2й), Накопительный счетчик 9 отсчитав число импульсов N2 генератора 10, устанавливает последним импульсом на выходе триггера 7 нулевой потенциал, при этом элементы И 11 и И 8 закрываются, а на первый вход элемента ИЛИ 2Ц за один период напр жения с выхода делителя частоты 5 поступит (To-T)ff- импульсов напряжения генератора эталонной частоты 10 (фиг. 23) . С приходом нулевого потенциала следующего периода напряжения, снимаемого с выхода делителя частоты 5, на выходе триггер 7 вновь устанавливается положительный потенциал И процесс измерения скорости в этом периоде повторяется и т.д. Для расширения функциональных возможностей цифрового измерителя низких скоростей для измерения скорости ДРУГОГО направления (знака) введены два инвертора 21 и 22, которые инвертируют сигналы с выхода делителя частоты 5 и с выхода триггера 7. Инвертированные сигналы и сигнал с выхода генератора эталонной частоты 10 поступают на второй трехвходовой элемент И 23 (фиг, 2е и 2ж) который работает при смене направления скорости вращения или линейного перемещения (фиг. 2а для отрицательного значения скорости). Выходные сигналы трехвходовых элементов И 11 и И 23, работающих на разную полярность скорости перемещений, поступают на схему индикации 25 направления (знака) скорости перемещений подвижной части того или иного фазовращателя (фиг. 26 и 23). Описанный канал цифрового измерения скорости работает лишь при переходе напряжения с высокого уровня потенциала на низкий, снимаемый с делителя частоты 5,- а при обратном переходе этот канал измерения не работает, что ведет к потере информации за второй полупериод напряжения делителя частоты 5. /1ля дополнителЬ ного увеличения точности измерения введен еще один реверсивный блок Ц вычитания длительности полупериода возбуждающего напряжения фазовращателя 1 из полупериода напряжения делителя частоты 5 работй которого аналогична описанному выше блоку 20, но с той лишь разницей, что он подключен к делителю частоты 5 через инвертор 15 Временные диаграммы, поясняю1цие работу блока 1, приведены на фиг. 2е и 2к, 2л и 2м. Сигналы, снимаемые с выходов трехвходовых элементов И 11, И 23(фиг.23 и 2з и аналогичных элементов в блоке 14 (фиг. 2к и 2и), поступают на входы суммируюсцего элемента ИЛИ 24, а выходной суммарный сигнал (фиг. 2н), независящий от направления скорости, поступает через согласующий делитель частоты 12 на цифровой частотометр 13. При этом использование двух блоков измерения СКОРОСТИ 20 и 1 + не сужает диапазона измерения скорости. Согласующий делитель частоты предназначен для согласования выхода цифрового измерителя скорости с индикацией в оп ределенных единицах измерения (об/м или мм/мин). Кроме того, выход элемента ИЛИ 2 и выходы элементов И 11 и И 23 одного из каналов измерения поступают на схему автоматического регулирования какого-либо технологического процесса (фиг, 1). Емкость согласующего счетчика 12 мо жет быть расчитана для времени счет по выражениям; (,)iobt при этом скорости 8 1 об/мин соответствует частота индикации в 1 кГц а для линейного фазовращателя N, fp l bohf rvp,)io s при этом скорости в 1 мм/мин соответствует частота индикации в 1 кГ Формула изобретения Цифровой измеритель скорости, со держащий фазовращатель, первый фор мирователь, делитель частоты, генератор эталонной частоты, цифровой частотомер и первый канал измерения, состоящий из триггера, двухвходовой схемы И, накопительного счетчика и трехвходовой схемы И, при этом выход фазовращателя через первый формирователь и делитель частоты соединен с первым входом триггера, являющимся первым входом первого канала измерения, и с первым входом трехвходовой схемы И, второй вход которой подключен к вт рому входу двухвходовой схемы И и к выходу триггера, а третий вход к выходу генератора эталонной част ты, являющемуся вторым входом первого канала измерения, и к первому входу двухвходовой схемы И, выход которой через накопительный счетчик соединен с вторым входом три|- гера, отличающийся тем, что, с целью увеличения диапазона и точности измерения низкой скорости и расширения функциональных возможностей за счет дополнительного измерения пути, в него введены два смесителя частотв, второй формирователь, блок измерения и индикации пути, первый инвертор, схема ИЛИ, согласующий делитель частоты, блок индикации знака скорости и второй канал измерения, в каждый канал дополнительно введены два инвертора и вторая трехвходовая схема И, причем выходы смесителей подключены к входам фазовращателя 5 выход которого через второй формирователь соединен с блоком измерения и индикации пути, выход делителя частоты подключен через первый инвертор к первому входу второго канала измерения, а через второй инвертор к первому входу второй трехвходовой схемы И, с вторым входом которой через третий инвертор соединен выход триггера, третий вход второй трехвходовой схемы И подключен к выходу генератора эталонной частоты и второму входу второго канала измерения, а выход ее, являющийся первым выходом первого канала измерения, к первому входу блока индикации знака скорости, второй вход которого соединен с выходом первой трехвходовой схемы И, являющимся вторым выходом первого канала измерения, выходы обоих каналов измерения через схему ИЛИ и согласующий делитель частоты подключены к цифровому частотомеру. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Авторское свидетельство СССР N 325619, кл. G 01 Р 3/00, 1970. 2,Авторское свидетельство СССР N 386339, кл. G 01 Р 3/5, 1971. 3,Авторское свидетельство СССР W 763921, кл. G 01 Р ЗЛ79, 1977 (прототип).

8 с AS