УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА ПОВОРОТА
DEVICE FOR MEASURING TURN ANGLE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.
Известен датчик угла поворота генераторного типа, содержащий генератор с элементом на поверхностных акустических волнах (ПАВ), опорный генератор, смеситель, фильтр нижних частот, усилитель, измеритель и микропроцессор (см. Лепих Я.И. Датчик угла поворота генераторного типа с элементом на поверхностных акустических волнах. Электроника и конструирование в электронной аппаратуре, 2009, №3 с.24-25). В этом датчике, основанном на использовании анизотропии электрофизических параметров (ЭФП) монокристаллического пьезоэлектрического звукопровода элемента на ПАВ, эффект зависимости рабочей частоты элемента на ПАВ от анизотропии ЭФП при вращении вала дает возможность измерить угол поворота контролируемого объекта.
Недостатком этого известного датчика является погрешность, связанную с температурным влиянием окружающей среды на акустоэлектронный элемент.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип устройство для определения угла поворота регулирующего органа (см. А.Г. Гарганеев. Технические средства автоматизации и управления. Томск, ТУСУР, 2007, с.105-106). В этом устройстве, содержащем сельсин-датчик и сельсин-приемник, соединенные между собой линиями связи, при повороте ротора сельсина-датчика на некоторый угол, ротор сельсина-приемника самостоятельно под воздействием синхронизирующего момента отрабатывает угол, заданный датчиком. Следовательно, по величине ЭДС какой-нибудь обмотки ротора сельсина-приемника можно судить об угле поворота регулирующего механизма, воздействующего на ротор сельсина-датчика.
Недостатком данного устройства можно считать узкую функциональную возможность.
Техническим результатом предлагаемого устройства является расширение функциональной возможности.
Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения угла поворота, содержащее сельсин-датчик, соединенный входом с первым источником питания, введены второй и третий источники питания, вычитатель, выпрямитель, генератор с варакторной перестройкой частоты и измеритель частоты, причем выход сельсина-датчика соединен с первым входом вычитателя, второй вход которого подключен ко второму источнику питания, выход вычитателя через выпрямитель подключен к первому плечу генератора с варакторной перестройкой частоты, второе плечо которого подключено к третьему источнику питания, измеритель частоты соединен с третьем плечом генератора с варакторной перестройкой частоты.
Сущность заявляемого технического решения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что при повороте ротора сельсина-датчика на угол по измеренной величине частоты генератора с варактороной перестройкой частоты, определяют значение угла поворота регулирующего органа, воздействующего на ротор сельсина-датчика.
Наличие в заявляемом способе перечисленных существенных признаков позволяет решить поставленную задачу измерения угла поворота регулирующего органа измерением частоты генератора с варактороной перестройкой частоты с желаемым техническим результатом, т.е. расширением функциональной возможности заявляемого устройства.
На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит первый источник питания 1, соединенный со входом сельсина-датчика 2, вычитатель 3, подключенный ко второму источнику питания 4, выпрямитель 5, соединенный выходом с первым плечом генератора с варакторной перестройкой частоты 6, третий источник питания 7 и измеритель частоты 8.
Устройство работает следующим образом. Пусть с выхода первого источника питания 1 переменное напряжение подается на вход сельсина-датчика 2 (обмотку возбуждения статора). Тогда при каком-нибудь значении угла поворота ротора сельсина-датчика (воздействие регулирующего органа на ротор сельсина-датчика) для амплитуд электродвижующихся сил (ЭДС) фазных синхронизирующих обмоток ротора сельсина-датчика (см. Справочник по средствам автоматики. Энергоатомиздат, 1983 с.346), отнесенных относительно друг от друга на 120°, можно записать
a
ф
Е=Еcosα;
b
ф
E=Еcos(α-2π/3);
c
ф
E=Еcos(α+2π/3),
ф
a
b
c
где Е - ЭДС фазы при α=0°, Е, E и Е - амплитуды ЭДС фаз a, b и c соответственно, α - угол поворота.
Из приведенных выражений видно, что измерением амплитуды какой-нибудь ЭДС фазных обмоток ротора сельсина-датчика можно получить информацию об угле поворота ротора сельсина-датчика.
а
В предлагаемом устройстве для этого выход сельсина-датчика т.е.так, например, -фазная его обмотка (фазные обмотки ротора соединены по схеме «Звезда») соединяется с первым входом вычитателя (сумматор, выполняющий функцию вычитания) 3. С выхода последнего разностное переменное напряжение, возникающее в результате вычитания двух входных переменных его сигналов, поступающих соответственно от выхода сельсина-датчика и
второго источника питания 4, поступает на вход выпрямителя 5. После этого выпрямленное (постоянное) напряжение выпрямителя подается в первое плечо (варактор) генератора с варакторной перестройкой частоты 6. Одновременно постоянное напряжение с выхода третьего источника питания 7 поступает во второе плечо генератора с варактороной перестройкой частоты. Благодаря этому генератор вырабатывает электромагнитные колебания с фиксированной частотой. Сигнал с этой частотой далее посредством третьего плеча (волноводный выход генератора) генератора с варактороной перестройкой частоты поступает на вход измерителя частоты 8, где фиксируется значение частоты генерируемых колебаний.
При отсутствии угла поворота, т.е. α=0°, согласно данному устройству, выходной переменный сигнал вычитателя должен быть минимальным, практически, равным нулю (разность входных переменных напряжений вычитателя). В силу этого частота генератора, измеренная измерителем частоты, будет соответствовать нулевому углу поворота ротора сельсина-датчика.
При повороте ротора сельсина-датчика, т.е. α≠0°, выходное переменное напряжение вычитателя по принципу работы последнего, будет отличаться от нуля из-за уменьшения выходного напряжения сельсина-датчика и постоянства выходного переменного напряжения второго источника питания. Следовательно, выходное напряжение вычитателя по мере увеличения угла поворота, будет увеличиваться. Принимая во внимание тот факт, что выходное разностное переменное напряжение вычитателя после выпрямления, поступает в первое плечо генератора с варакторной перестройкой частоты, то в данном случае благодаря этому на выходе генератора можно наблюдать перестройку частоты, полученной при отсутствии постоянного напряжения на варакторе генератора. При этом при увеличении постоянного напряжения на варакторе частота генератора будет увеличиваться, а при уменьшении напряжения на варакторе - уменьшаться. Таким образом, учитывая, что напряжение на варакторе связано с углом поворота ротора сельсина-датчика, то по изменению частоты генератора можно получить информацию о величине угла поворота ротора сельсина-датчика.
Преимущество заявляемого устройства по сравнению с прототипом состоит в том, что здесь, благодаря применению генератора с варакторной перестройкой частоты, информацию об угле поворота можно получить в цифровом виде, облегчающем подключение устройства к вычислительной технике. Кроме того, в данном случае информативный частотный сигнал по своей природе может быть передан дистанционно на расстояние.
В предлагаемом устройстве в качестве генератора с варакторной перестройкой частоты может быть использован ГЛПД-2 с частотой (генерируемая генератором при отсутствии напряжения на варакторе) и мощностью 8,5 ГГц и 10 мВт соответственно, выпускаемый промышленностью.
Таким образом, в данном техническом решении на основе проведения частотного измерения угла поворота ротора сельсина-датчика, можно обеспечить расширение функциональной возможности устройства для измерения угла поворота регулирующего органа.
Предлагаемое устройство успешно может быть применено для измерения угла поворота различных регулирующих органов (клапана, заслонки, руля и т.п.). При этом диапазон изменения угла может колебаться от до 0 до 90°.