Цифровой измеритель скорости

 

ОП ИСАНИЕ 9800и

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВЯДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Сецнвпнстнчвскнх

Республик (6l ) Дополнительное к авт. саид-ву (22)Заявлено 17.02.81(21) 3247880/18-10 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 07.12. 82. Бюллетень 1645

Дата опубликования описания 07. 12. 82 (5l)N. Кл.

G 0l Р 3/489

Р®удерс1инный кеинтет

СССР нв явнни нзабретеннй н отхрытнй (53) УДК 621.317..39: 531 ° 7 (088.8) (72) Автор изобретения

А,Е,Алехин (71) заявитель (54) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТ ЕЛЬ СКОРОСТИ

Изобретение относится к технике контроля и регулирования и может быть использовано для измерения низких скоростей вращения и линейных перемещений различного рода валов и механизмов металлорежущих станков, Известно устройство для преобразования угловой скорости вращения вала в частоту следования импульсов, содержащее фазовращатель, подсоединенный: входом через фазоврасще-. пительный блок и делитель частоты к генератору эталонной частоты, а выходом через умножитель частоты к первому входу блока сравнения, при" чем 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 точнс низкие скорости вращения вала, имеет низкие

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

1О

Известно также устройство цифрового измерения скорости, содержащее частотный датчик, блок задания временного интервала, вентиль, генератор эталонной частоты (2 ).

К недостаткам этого устройства можно отнести низкую точность измере". ния при низких скоростях вращения из-эа увеличения времени измерения, что увеличивает динамические овибки, например, при использовании его в системе автоматического регулирования технологического процесса .

Известен цифровой измеритель низ-; кой скорости, содержащий фазовраща о +

М„ЬОМ„ где N — емкость делителя частоты;

f — частота переменных .напряо жений, питающих обмотку статора фазовращателя;

P, — число пар полюсов фазовращателя; и - скорость вращения ротора, об/мин, Коэффициент деления делителя частоты N,óñòàíoâëåííîãî после формирователя импульсов, фактически снимает эффективное значение пар полюсов фазовращателя, снижая тем самым точность измерения низких скоростей вращения, и в целом снижается диапазон измерения низких скоростей °

3 98000 тель, первый формирователь, 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 второму входу 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 двухвходовой схемы И, выход которой через накопительный счетчик соединен со втоm рым входом триггера ($ ).

Однако указанное устройство имеет узкие функциональные возможности его использования из-за невозможности использования его при измерении пути, когда требуется по условиям точности достаточно высокая частота питания фазовращателя, а также невозможно измерить им скорость беэ дополнительных устройств при смене направления вращения подвижной части фазовращателя, т.е. при другом направлении вращения вообще не измеряется скорость. Недостаток устройства заключается также в низкой точности измерения малой скорости вращен>4я> заключающийся в том, что фактическая частота выходного напряженил фазовращателя снимается с делителя частоты> определяется по выра4Î жению

1 4

Цель изобретения - увеличение диапазона и точности измерения низкой скорости и расширение функциональных возможностей за счет дополнительного измерения пути.

Поста вле нная цель дости гает ся 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 фаэовращателя> 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 подклюl чен 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, 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.

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 пер5 9800 вый формирователь 4 с делителем частоты 5 и блоком вычитания 6 длительности полупериода возбуждающего напряжения фазовращателя 1 из полупериода напряжения делителя частоты

5, поделенных на коэффициент делителя частоты, состоящего из последо-.

01 о+ "р <160

Е =, (11

С выхода делителя частоты 5 кругового фазовращателя 1 с учетом работы двух каналов измерения снимается сигнал а с линейного фазовращателя 1 с де10 лителя частоты 5 снимается сигнал

f, ЧР (Ьоа

If

М1

15 ратора эталонной частоты 10, его выход подсоединен к входу накопительного счетчика 9, а выход триггера

7 подсоединен ко второму входу двухвходового Элемента И 8, выходЫ дели- 20 теля частоты 5, триггера 7 и генератора 10 подсоединены к входам трех25

35

55 вательно соединенных триггера 7 с разделенными входами, двухвходового элемента И Я и накопительного 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 геневходового элемента И ll, выход которого через согласующий делитель частоты 12 подключен к цифровому частотомеру 13.

Дополнительно введен еще один канал измерения 14 во втором полупериоде возбуждающего напряжения фазовращателя 1, связанный с выходом 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 4 выполнены на базе активных узкополосных фильтров с высокими коэффициентами передачи, причем в первый 20 и второй 14 каналы измерения в каждый дополнительно введены два инвертора

21 и 22, входами подсоединенные к выходам делителя частоты 5 и триггера соответственно> а их выходы и выход генератора 10 соединены со входами второго трехвходового эле" мента И 23 другого знака скорости, причем выходы двух трехвходовых элементов И 11 и 23 каждого из каналов

20 и 1 4 подклю чены ко входам ч етырехвходового элемента ИЛИ 24, 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.

Где f - частота питающих напряжений фазовращателей; и - скорость вращения ротора, об/мин;

Р - число пар полюсов фазовращателя кругового типа;

Р - число пар проводников, участвующих в. генерировании выходного сигнала линейноного индуктосина

1/ - скорость линейного перемещения головки индуктосина мм/мин;

- шаг обмотки, при прохождении которого выходное напряо жение измеряется на 360 мм, N„- коэфициент деления делителя частоты 5, Знак "плюс" говорит о том, что ротор или головка фазовращателя движутся против направления магнитного поля возбуждения, а "минус" по направлению поля фазовращателя 1. Минимально возможную скорость, измеряемую цифровым измерителем низкой скоро" сти, можно получить из условия точности измерения, т.е, за один период напряжения питания с учетом двух каналов измерения 20 и 14 должно сниматься минимально возможное количество импульсов заполнения разности периодов питающего и выходного напряжения фазовращателя, снимаемых с делителя частоты 5, определяемое по выражению м;„=(т -т) к,, (3) где То- - период напряжения фа-.. зовращателя 1, снима" емый с выхода делите" ля частоты 5;

T= - период текущего значе1 ния напряжения фазовращателя 1 с учетом коэффициента деления делителя частоты 5;

10 (4) 15

25

35

7 9800

1г - частота импульсов генератора эталонной частоты, Гц.

Подставляя в (3) выражения (1) и (2), поручим соответствующие выражения для определения минимально возможных скоростей измерения цифровым измерителем низкой скорости, о)" 1п о

Got „„-, Исходя из условия устойчивого измерения временные диаграммы на фиг,26 и 26 скорости, определим максимально возможные скорости из того, что максимально возможное приращение частоты второе слагаемое в выражениях 1 и 2) по условию устойчивого измерения скорости не должно превышать частоты на выходе делителя частоты 5 при нулевой скорости on1 ределяемое по выражениям

60 и

6ot f

v „= 0 (1)

Максимально возможный диапазон измерения скорости определяется для любого исполнения фазовращателя по выражению

И„ г то Г

1 р 1n1n

Анализ выражений (4) и (5) позволяет сделать вывод о том, что наибольшее снижение низких скоростей измерения обеспечивается за счет снижения частоты питающего фазовращатель напряжения, а не за счет увеличения коэффициента деления делителя чаототы 5, так как минимально возможные скорости измерения находятся в квадратичной зависимости от

Анализ выражения (8) показывает то, что со снижением частоты (увеличения периода Т0 ) на выходе блока вычитания длительности полупериода возбуждающего напряжения фазовращате55 ля из полупериода напряжения делителя частоты 5 при нулевой скорости удается также увеличить диапазон измерения низких скоростей фазовра01 8 щателя. Наиболее перспективным является использование одного и того же фазовращателя для измерения пути и скорости. Для 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 равI на 10 кГц в серийно выпускаемых устройствах измерения пути УЦИФ5147, УЦИф5134, 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 100 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 определенную (высокую и низкую) частоту, причем полоса пропускания скоростного канала измерения для обеспечения устойчивого измерения скорости для реверсивного исполнения датчика должна лежать в пределах

2 fp -4 "22fî (33)

Устройство работает следующим образом, На вход фазовращателя 1 на синусную обмотку 1о подается суммарное значение смешанного по частоте смесителем 18 напряжение двух частот (высокочастотного и низкочастотного), На косинусную обмотку 17 фазовращателя l подаются напряжения таких же частот, но сдвинутые по фазе относительно соответствующих напряжений на угол в 90 электрических градусов, снимаемые с выхода смесителя

19 напряжение с выхода фазовращателя 1, отфильтрованное и преобразованное в прямоугольные импульсы высокочастотным формирователем 2, подается на блок измерения и индикации пути 3 (фиг, 2), а с выхода низкочастотного формирователя 4 подается на вход делителя частоты 5 емкостью Н.1. Емкость делителя частоты 5 выбирается из того условия, что если не удается значительно сни25

Во второй половине периода напряжения с выхода делителя частоты 5 положительным потенциалом открывается элемент И 11 и импульсы напряжения генератора эталонной частоты !0 поступают на первый вход суммирующего элемента ИЛИ 24 (фиг. 23), Накопительный счетчик 9, отсчитав число импульсов N< 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 24 эа один период напря.50 жения с выхода делителя частоты 5 поступит (То -Т)f.r импульсов напряжения генератора эталонной частоты

10 (фиг„2Э), С приходом нулевого потенциала

55 следующего периода напряжения, снимаемого с выхода делителя частоты

5, на выходе триггера 7 вновь устанавливается положительный потенциал

9 98000 зить частоту питания фазовращателя (например, из-за снижения на низких частотах коэффициента магнитной связи между обмотками фазовращателя, особенно при выполнении его в безиндуктивном варианте), В линейном индуктосине типа ДПМ-11 возможно без ущерба для измерения понизить частоту с 10 кГц до 1 кГц, а делителем частоты 5 еще дополнительно 1о снизить до 100 Гц. На временной диаграмме 2а изображена осциллограмма измерения скорости фазовращателя.

Нулевым потенциалом с выхода делителя частоты 5 (фиг. 26) на выходе ls триггера 7 с раздельными входами устанавливается положительный потенциал (фиг, 2в). При этом подготавливается элемент И 11, открывается элемент И 8 и на накопительный счетчик 9 поступают импульсы напряжения генератора эталонной частоты 10 (фиг. 22), Длительность положительного прямоугольного импульса, формируемого на выходе триггера 7, устанавливается равной полупериоду напряжения с выхода делителя частоты 5 при скорости ротора или при скорости головки линейного перемещения фазовращателей, равной нулю, Для этою

ro емкость накопительного счетчика должна удовлетворять условию й2 й1 — — (1О)

2 о зз

1 10 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. ?e и ?ж) который работает при смене направления скорости вращения или линейного перемещения (фиг, ?б 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. ? д 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. Для дополнительного увеличения точности измерения введен еще один реверсивный блок 14 вычитания длительности полупериода возбуждающего напряжения фазовраща" теля 1 из полупериода напряжения делителя частоты 5, работа которого аналогична описанному выше блоку 20, но с той линь разницей, что он подключен к делителю частоты 5 через инвертор 15. Временные диаграммы, поясняющие работу блока 14, приведены на фи . 2е и 2к, 2л и 2м.

Сигналы, снимаемые с выходов трехвходовых элементов И 11, И 23(фиг,2Ь и 23) и аналогичных элементов в блоке 14 (фиг. 2к и 2м1, поступают на входы суммирующего элемента

ИЛИ 24, а выходной суммарный сигнал (фиг, ?н), независящий от направления скорости, поступает через согласующий делитель частоты 12 на цифровой частотометр 13. При этом использование двух блоков измерения скорости 20 и 14 не сужает диапазона измерения скорости. Согласующий

11 98 делитель частоты предназначен для согласования выхода цифрового измерителя скорости с индикацией в определенных единицах измерения (об/мин или мм/мин). Кроме того, выход элемента ИЛИ 24 и выходы элементов

И 11 и И 23 одного из каналов измерения поступают на схему автомати" ческого регулирования какого-либо технологического процесса (фиr. 1).

Емкость согласующего счетчика 12 может быть расчитана для времени счета по выражениям:

Я„р, Р„1

N =- (11) при этом скорости в 1 об/мин сооТ ветствует частота индикации в 1 кГц, а для линейного Фазовращателя

1 1 г " сч

Q 3 (<<) при этом скорости в 1 мм/мин соответствует частота индикации в 1 кГц.

Формула изобретения

Цифровой измеритель скорости, спдержащий Фазовращатель, первыи формирователь, делитель частоты, 1 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 че" рез первый Формирователь и делитель частоты соединен с первым входом трйггера, являющимся первым входом

nepBoro канала измерения, и с первым входом трехвходовой схемы И, второй вход которой подключен к второму входу 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 двухвходовой схемы И, выход

0001 12

5 0

15 о

25 зо

50 которой через накопительный счетчик соединен с вторым входом триггера, 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 частоты, 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, 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 согласующ1ий 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

У 386339, кл, G 01 Р 3/54, 1971 °

3. Авторское свидетельство СССР

N 76392l, кл. G 01 Р 3/479, l977 (прототип) .