Формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического измерения, управления и аварийной защиты, в состав которых входят датчики, вырабатывающие двухполярные сигналы, в частности индукционные датчики частоты вращения и расхода. Технический результат заключается в упрощении устройства и расширении диапазона измерения при реализации устройства с использованием современных микроконтроллеров. Устройство содержит два компаратора, соединенные один непосредственно, а второй через инвертор с источником входного сигнала, также введены измеритель частоты, соединенный по входу с выходом второго компаратора, и таймер, вход запуска которого соединен с выходом первого компаратора, первый управляющий вход подключен к выходу измерителя частоты, второй управляющий вход соединен с выходом второго компаратора, а выходы соединены соответственно с управляющими входами компараторов. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического измерения, управления и аварийной защиты, в состав которых входят датчики, вырабатывающие двухполярные сигналы, в частности индукционные датчики частоты вращения и расхода.

Известно устройство формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения [1], основанное на принципе селекции входного сигнала по площади. Его недостатком является недостаточная надежность, обусловленная тем, что для формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения используется только одна полярность сигнала.

Из известных наиболее близким по технической сущности является устройство, реализующее способ формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения [2]. Его структурная схема приведена на фиг.1, а на фиг.2 представлена осциллограмма выходного сигнала индукционного датчика частоты вращения.

Устройство содержит блок измерения вольт-секундной площади S₁ первой полуволны двухполярного сигнала е_с индукционных датчиков вращения 1, блок запоминания 2, блок сравнения 3, инвертор 4, блок измерения вольт-секундной площади S₂ второй полуволны двухполярного сигнала е_с индукционных датчиков частоты вращения 5 и блок управления 6. Выходной сигнал е_с индукционных датчиков частоты вращения подается на входы блока измерения вольт-секундной площади S₁ первой полуволны двухполярного сигнала е_с индукционных датчиков вращения 1, блока управления 6 и через инвертор 4 на вход блока измерения вольт-секундной площади S₂ второй полуволны двухполярного сигнала е_с индукционных датчиков частоты вращения 5. Выходы блока запоминания 2 и блока измерения вольт-секундной площади S₂ второй полуволны двухполярного сигнала е_с индукционных датчиков частоты вращения 5 соединены с входами сравнения блока запоминания 2. Второй выход блока запоминания 2 соединен с входом задания порога Sпор1 блока сравнения 3 и входом блока управления 6. Выходы блока управления 6 соединены соответственно с входами управления блоков сравнения 3 и запоминания 2, а также входами управления блоков измерения вольт-секундной площади S₁ первой полуволны двухполярного сигнала е_с индукционных датчиков вращения 1 и S₂ второй полуволны двухполярного сигнала е_с индукционных датчиков частоты вращения 5.

Работа индукционных датчиков частоты вращения основана на законе Фарадея, согласно которому индуцированная ЭДС е_с определяется скоростью изменения магнитного поля Ф, сцепленного с катушкой из W витков [3]:

.

В рассматриваемом случае изменение магнитного поля вызывается пересечением силовых линий поля магнита датчика выступами вращающегося возбудителя [4]. При входе возбудителя в магнитное поле в катушке индуцируется первая полуволна сигнала, а при его выходе - вторая полуволна, имеющая противоположную полярность (фиг.2).

Вольт-секундная площадь S_1k первой полуволны такого сигнала примерно равна аналогичной площади S_2к второй (противоположной полярности) полуволны, а отношение этих площадей R=S_1к/S_2к близко к 1, не зависит от погрешности установки зазора между датчиком и возбудителем, характеристик самого возбудителя и остается постоянным в широком диапазоне частоты вращения. Амплитуда сигнала е_с возрастает по линейному закону с увеличением частоты вращения, а длительность уменьшается.

Работает устройство следующим образом. Блок управления 6 состоит из пороговых элементов (компараторов). При превышении входным сигналом е_с заданного на компараторы блока управления 6 порога обнаружения вырабатывается сигнал разрешения измерения S₁ и подается на блок измерения вольт-секундной площади 1. В блоке измерения вольт-секундной площади 1 осуществляется интегрирование входного сигнала е_с до тех пор, пока входной сигнал е_с не станет меньше заданного в блоке управления 6 порога обнаружения. При этом выходной сигнал блока измерения вольт-секундной площади 1 достигает значения S_1к. Если значение S_1к превышает пороговое значение S_пр.min, равное предельной минимальной допустимой величине вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов S_1к>S_пр.min, и блок управления 6 обнаружит вторую полуволну сигнала е_с, то на выходе блока управления 6 появится сигнал разрешения измерения S₂ в блоке измерения вольт-секундной площади 5 во время действия второй полуволны сигнала е_с, а также сигнал разрешения сравнения текущего результата измерения S_хк с пороговым значением S_пор1=Q·S_1к (Q незначительно меньше единицы), сформированным в блоке запоминания 2 из сигнала S₁к.

В блоке сравнения 3 выполняется сравнение площадей S_хк с S_пор1 или S_хк с S_1к. В случаях S₂>S_пор1 или S_хк≈S_1к вырабатывается требуемый импульс.

Недостатком этого устройства является его сложность, а именно применение интеграторов с цепями разряда, а также блоков управления и сравнения, содержащих большое количество компараторов. Кроме того, при реализации устройства с использованием современных микроконтроллеров ограничен диапазон измерения в область больших частот вращения, так как для проведения операции интегрирования в цифровом виде АЦП микроконтроллера должен обеспечить получение достаточно большого количества отсчетов за время одной полуволны сигнала е_с.

Предлагаемое изобретение направлено на упрощение устройства и расширение диапазона измерения при реализации устройства с использованием современных микроконтроллеров. Поставленная достигается тем, что в формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, содержащий два компаратора, соединенные один непосредственно, а второй через инвертор с источником входного сигнала, согласно предлагаемому изобретению введены измеритель частоты, соединенный по входу с выходом второго компаратора, и таймер, вход запуска которого соединен с выходом первого компаратора, первый управляющий вход подключен к выходу измерителя частоты, второй управляющий вход соединен с выходом второго компаратора, а выходы соединены соответственно с управляющими входами компараторов.

На фиг.3 приведена структурная схема предлагаемого устройства формирователя импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения. Устройство состоит из инвертора 1, компараторов 2 и 3, таймера 4 и измерителя частоты 5.

Двухполярный сигнал индукционного датчика частоты вращения е_с подается на вход компаратора 2 и через инвертор 1 на вход компаратора 3. Выход компаратора 2 соединен с входом запуска таймера 4, а выход компаратора 3 подключен через измеритель частоты 5 к первому управляющему входу таймера 4, второй управляющий вход которого соединен с выходом второго компаратора 3. Выход компаратора 3 является выводом требуемого импульса, а выход измерителя частоты 5 - выводом результата измерения частоты вращения 7. Выходы таймера 4 соединены соответственно с управляющими входами компараторов 2 и 3.

Все элементы, входящие в состав устройства, могут быть реализованы в виде отдельных функциональных узлов или программным способом при использовании микроконтроллера, оснащенного компараторами и таймером. Реализация вновь введенного таймера существенно проще, чем реализация блоков измерения вольт-секундной площади, содержащих интеграторы с цепями заряда и разряда, и блока управления, обеспечивающего своевременную коммутацию цепей заряда и разряда. Введение измерителя частоты не ведет к усложнению реализации устройства в целом, так как формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения предназначен именно для измерения частоты.

Работает устройство следующим образом. Порог срабатывания компаратора 2 установлен равным половине минимально возможной амплитуды сигнала индукционного датчика частоты вращения е_с. Благодаря выбору порогов срабатывания компараторов 2 и 3 равными половине минимально возможной амплитуды сигнала индукционного датчика частоты вращения е_с обеспечивается устойчивая работа устройства в случае действия во время всего сигнала е_с однополярной помехи, не превышающей порог срабатывания компараторов 3 и 4, а также при знакопеременной помехе, противофазной сигналу е_с и удовлетворяющей тому же условию. То есть устройство обеспечивает устойчивую работу при отношениях амплитуд сигнала и помехи свыше двух. Мощная однополярная импульсная помеха, совпадающая по знаку и времени появления с одной из полуволн сигнала е_с, также не влияет на работу устройства, так как условие превышения сигналом е_с половины своей минимально возможной амплитуды не нарушается.

Когда входной сигнал устройства становится больше порога срабатывания компаратора 2, на его выходе появляется импульс запуска таймера 4. Таймер 4 вырабатывает импульс, длительность которого равна ожидаемой длительности второй полуволны двухполярных импульсов индукционного датчика частоты вращения. Этот импульс поступает на управляющий вход компаратора 3, разрешая его работу. Если за время действия этого импульса вторая проинвертированная полуволна входного сигнала е_с превысит половину своей минимально возможной амплитуды, компаратор 3 сработает, и на его выходе 6 появится требуемый импульс. После получения не менее двух импульсов на выходе 7 устройства появляется результат измерения частоты вращения. Таймер 4 вырабатывает импульсы управления компараторами 2 и 3, время появления и длительности которых зависят от момента появления сигнала на выходе компаратора 3 и результатов измерения частоты. В начале работы на управляющем входе компаратора 2 всегда присутствует сигнал разрешения на работу. Если во время открытия компараторов 2 и 3 их срабатывания не происходит, то есть сигнал индукционного датчика частоты вращения не обнаруживается в ожидаемое время, то устройство возвращается в исходное состояние до появления на выходе 6 двух новых импульсов.

Благодаря введению в устройство измерителя частоты, соединенного по входу с выходом второго компаратора, и таймера, вход запуска которого соединен с выходом первого компаратора, первый управляющий вход подключен к выходу измерителя частоты, второй управляющий вход соединен с выходом второго компаратора, а выходы соединены соответственно с управляющими входами компараторов достигается упрощение реализации устройства.

Источники информации

1. Патент RU 2173022 С2, МПК7 Н03К 5/153, опубл. 27.08.2001 г.

2. Патент RU 2352058 С1, МПК Н03К 5/153, опубл. 10.04.2009 г.

3. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник. / Под общей редакцией Ю.Н. Коптева. Том 1, М., издательское предприятие журнала "Радиотехника", 1998 г., стр.52.

4. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник. / Под общей редакцией Ю.Н. Коптева. Том 2, М., издательское предприятие журнала "Радиотехника", 2000 г., стр.561, стр.616-618.

Формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, содержащий два компаратора, соединенные один непосредственно, а второй через инвертор с источником входного сигнала, отличающийся тем, что в него введены измеритель частоты, соединенный по входу с выходом второго компаратора, и таймер, вход запуска которого соединен с выходом первого компаратора, первый управляющий вход подключен к выходу измерителя частоты, второй управляющий вход соединен с выходом второго компаратора, а выходы соединены соответственно с управляющими входами компараторов.