СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING FREQUENCY OF ROTATION

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического измерения, управления и аварийной защиты, в состав которых входят датчики частоты вращения, вырабатывающие сигналы, частота которых пропорциональна частоте вращения объекта контроля, в частности индукционные датчики частоты вращения и расхода.
Известны способы [1, 2, 3] и устройства [4, 5] для измерения частоты вращения, основанные на измерении частоты следования импульсов, сформированных из сигналов датчиков частоты вращения. Для формирования импульсов производят анализ параметров одной или двух полуволн противоположной полярности каждого сигнала индукционного датчика частоты вращения и, если параметры удовлетворяют определенным требованиям, вырабатывают требуемый импульс.
Общим недостатком известных способов и устройств является низкая помехоустойчивость, так как они работают только, если отношение амплитуды сигнала к амплитуде помехи больше двух.
Известны также способы и устройства для измерения параметров сигналов, основанные на представлении выборочных данных (дискретных отчетов сигнала) в виде конечной линейной комбинации изменяющихся по амплитуде колебательных составляющих, характеризуемых амплитудами, начальными фазами, частотами и коэффициентами затухания, параметры которых рассчитываются с высокой точностью [6, 7, 8, 9]. Например, применение преобразования Прони для измерения параметров колебательных составляющих на фоне стационарных и случайных помех и шумов обеспечивает погрешности измерения порядка десятых и сотых долей процента [6, 7]. Известно применение этих способов и устройств для аппроксимации и сжатия-восстановления сигналов. Однако применение этих способов для измерения частоты вращения не известно.
Из известных наиболее близкими по технической сущности являются способ и устройство для сжатия и восстановления сигналов [9], основанные на представлении сигналов линейной комбинацией экспонент (изменяющихся по амплитуде колебательных составляющих), включающий дискретизацию сигнала, накопление кадра дискретных отсчетов, выделение колебательных составляющих сигнала и вычисление параметров колебательных составляющих, по которым сигнал восстанавливают, в котором число колебательных составляющих ограничивают составляющими, дисперсия которых превышает заранее установленное значение, и в зависимости от этого числа изменяют длительность кадра данных.
Известный способ-прототип реализует следующую последовательность действий.
1. Непрерывный сигнал дискретизируют с постоянным шагом, то есть представляют его дискретными отсчетами.
2. Формируют кадр данных, накапливая дискретные отсчеты, причем количество отсчетов задают в зависимости от числа колебательных составляющих, полученного в процессе обработки предшествующего кадра данных.
3. Выделяют из отсчетов колебательные составляющие.
4. Рассчитывают дисперсию выделяемых колебательных составляющих.
5. Сравнивают значение дисперсии колебательных составляющих с значением, определяемым предельно допустимой погрешностью сжатия-восстановления сигнала.
6. Выделяют колебательные составляющие, дисперсия которых больше предельно допустимой погрешности сжатия-восстановления сигнала.
7. Рассчитывают параметры выделенных колебательных составляющих сигнала.
8. Число выделенных колебательных составляющих используют для задания количества дискретных значений сигнала в следующем кадре данных и для управления расчетом параметров колебаний.
9. Переходят к обработке следующего кадра данных.
10. Восстанавливают по полученным значениям параметров колебательных составляющих кадры исходного сигнала.
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, реализующего способ-прототип. Устройство для сжатия и восстановления сигналов содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 1, запоминающее устройство 2, блок выделения колебательных составляющих сигнала 3, блок вычисления параметров колебательных составляющих 4, блок восстановления сигнала 5, а также блок ограничения числа колебательных составляющих 6, вход которого подключен к выходу блока выделения колебательных составляющих сигнала 3, а выход - к управляющим входам запоминающего устройства 2, блока выделения колебательных составляющих сигнала 3 и блока вычисления параметров колебательных составляющих 4.
Работает устройство для сжатия и восстановления сигналов следующим образом. Аналого-цифровой преобразователь 1 осуществляет дискретизацию и квантование непрерывного входного сигнала, преобразуя его в последовательность цифровых отсчетов. В запоминающем устройстве 2 накапливаются дискретные значения сигнала, формируя кадр данных. При формировании первого кадра данных количество накапливаемых значений сигнала задано конструктивно. В дальнейшем оно изменяется по команде блока ограничения числа колебательных составляющих 6 в зависимости от числа колебательных составляющих, выделенных при обработке предшествующего кадра данных. В блоке выделения колебательных составляющих сигнала 3 производит разложение сигнала в пределах накопленного кадра данных на колебательные составляющие одним из возможных методов. В блоке вычисления параметров колебательных составляющих 4 осуществляется расчет частот, коэффициентов затухания амплитуды, амплитуд и начальных фаз каждой из выделенных колебательных составляющих. Колебательные составляющие, дисперсия которых превышает значение, задаваемое предельно допустимой погрешностью сжатия-восстановления сигнала, передаются для расчета их параметров в блок вычисления параметров колебательных составляющих 4. Число выделенных колебательные составляющих фиксируется и используется для задания числа дискретных отсчетов в запоминающем устройстве 2 при формировании следующего кадра данных. Значение числа отсчетов в кадре данных также передается в блок выделения колебательных составляющих сигнала 3 и в блок вычисления параметров колебательных составляющих 4 для организации вычислений при заданном числе отсчетов в кадре данных. Полученные значения для всех выделенных колебательных составляющих описывают сжимаемый сигнал по кадрам данных. Они передаются через канал связи. В блоке восстановления сигнала 5 полученные значения параметров колебаний используются для синтеза с помощью цифроаналогового преобразования колебаний, которые после суммирования их мгновенных значений формируют восстановленный сигнал.
Техническим результатом предлагаемого способа и устройства является повышение помехоустойчивости при измерении частоты вращения. Это достигается тем, что в способе измерения частоты вращения, основанном на представлении выходного сигнала датчика частоты вращения линейной комбинацией изменяющихся по амплитуде колебательных составляющих, включающем дискретизацию сигнала, накопление кадра дискретных отсчетов, выделение колебательных составляющих сигнала и вычисление параметров колебательных составляющих, выделяют колебательную составляющую сигнала с максимальной амплитудой и по ее частоте определяют частоту вращения.
Заявленный способ реализует следующую последовательность действий.
1. Непрерывный выходной сигнал датчика частоты вращения дискретизируют с постоянным шагом, то есть представляют его дискретными отсчетами.
2. Формируют кадр данных, накапливая дискретные отсчеты, причем количество отсчетов задают в зависимости от значения частоты вращения, полученного в процессе обработки предшествующего кадра данных.
3. Выделяют из отсчетов колебательные составляющие.
4. Рассчитывают амплитуды выделенных колебательных составляющих сигнала и выделяют колебательную составляющую сигнала с максимальной амплитудой.
5. Рассчитывают частоту выделенной колебательной составляющей сигнала с максимальной амплитудой.
6. Полученное значение частоты пропорционально частоте вращения и его используют для задания количества дискретных значений сигнала в следующем кадре данных.
7. Переходят к обработке следующего кадра данных.
Применение выделения из сигнала датчика частоты вращения колебательной составляющей с максимальной амплитудой и нахождение ее частоты, по которой определяют частоту вращения, позволяет производить измерение частоты вращения, если амплитуда полезного сигнала датчика частоты вращения превышает амплитуду помехи, хотя бы на несколько процентов. Таким образом, обеспечивается повышение помехоустойчивости.
Технический результат достигается также за счет применения нового устройства для реализации заявленного способа измерения частоты вращения, содержащего последовательно соединенные датчик частоты вращения, аналого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство, блок выделения колебательных составляющих, блок вычисления параметров колебаний, в котором выход блока вычисления параметров колебаний соединен с управляющим входом запоминающего устройства.
На фиг. 2 приведен вариант структурной схемы устройства измерения частоты вращения, реализующего предлагаемый способ. Устройство состоит из датчика частоты вращения 1, аналого-цифрового преобразователя 2, запоминающего устройства 3, блока выделения колебательных составляющих сигнала 4 и блока вычисления параметров колебательных составляющих 5.
Все элементы устройства соединены последовательно, причем выход блока вычисления параметров колебательных составляющих 5 соединен с управляющим входом запоминающего устройства 3.
Все элементы, входящие в состав устройства, могут быть реализованы в виде отдельных функциональных узлов, например, как в устройстве-прототипе [9], или программным способом при использовании микроконтроллера, оснащенного аналого-цифровым преобразователем.
Работает устройство следующим образом.
Датчик частоты вращения 1 вырабатывает сигнал, обычно импульсный, частота которого пропорциональна измеряемой частоте вращения. На этот сигнал накладываются шумы и помехи. Аналого-цифровой преобразователь 2 осуществляет дискретизацию и квантование суммарного сигнала, преобразуя его в последовательность цифровых отсчетов. В запоминающем устройстве 3 накапливаются дискретные значения сигнала, формируя кадр данных. При формировании первого кадра данных число накапливаемых дискретных отсчетов задано конструктивно. В дальнейшем оно изменяется по команде блока вычисления параметров колебаний 5 в зависимости от значения частоты, пропорциональной частоте вращения, полученного при обработке предшествующего кадра данных. При необходимости в запоминающем устройстве 3 производится децимация (прореживание) отсчетов, так как обычно способы, основанные на представлении дискретных отчетов сигнала в виде конечной линейной комбинации изменяющихся по амплитуде колебательных составляющих, хорошо работают при обработке сравнительно небольшого количества отсчетов, до нескольких тысяч, при этом за время периода самой высокочастотной колебательной составляющей должно быть не менее 6-10 отсчетов [6, 7]. Блок выделения колебательных составляющих сигнала 4 производит разложение сигнала в пределах накопленного кадра данных на колебательные составляющие одним из возможных методов. В блоке вычисления параметров колебательных составляющих 5 производится расчет амплитуд колебательных составляющих и выделение колебательной составляющей, имеющей максимальную амплитуду, и определение ее частоты, пропорциональной частоте вращения.
Технический результат - повышение помехоустойчивости при измерении частоты вращения - достигается за счет того, что измерение амплитуд и частот колебательных составляющих, выделяемых блоком выделения колебательных составляющих (мод) 4, возможно с погрешностями порядка десятых и сотых долей процента, что позволяет выделить наиболее мощную колебательную составляющую на фоне шумов и помех, амплитуды которых лишь незначительно меньше амплитуды полезного сигнала.
Источники информации
1. Патент RU 2352058 C1, МПК H03K 5/153, опубл. 10.04.2009 г.
2. Патент RU 2399153 C1, H03K 5/153, опубл. 10.09.2010 г.
3. Патент RU 2400929 C1, H03K 5/153, опубл. 27.09.2010 г.
4. Патент RU 2173022 C2, МПК7 H03K 5/153, опубл. 27.08.2001 г.
5. Патент RU 2399154 C1, H03K 5/153, опубл. 10.09.2010 г.
6. Мясникова М.Г., Цыпин Б.В., Михайлов П.Г. Преобразование Прони в задаче измерения параметров гармонических сигналов в шумах // Датчики и системы. 2007. №4. С. 19-22.
7. Цыпин Б.В., Мясникова М.Г., Козлов В.В., Ионов С.В. Применение методов цифрового спектрального оценивания в задаче измерения параметров сигнала // Измерительная техника. 2010. №10. С. 26-30. В.V. Tsypin, М.G. Myasnikova, V.V. Kozlov, S.V. Ionov Application of methods of digital spectral estimation in the measurement of the parameters of a signal // Measurement Techniques. 2011. V. 53. N. 10. P. 1118-1124.
8. Патент RU 2472287 C1, H03M 7/30, опубл. 10.01.2013 г.
9. Решение от 05.02. 2015 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2014116341/08.