СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ ИЗ СИГНАЛОВ ИНДУКЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
METHOD OF FORMATION OF IMPULSES FROM SIGNALS OF INDUCTION DATA UNITS OF ROTATION FREQUENCY

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.
c1
пор1
с2
с2
пор1
c2
пор1
с2
пор2
2
Известен способ формирования импульсов из сигналов датчиков, в котором измеряют и сравнивают величины двух соседних одинаковых по полярности сигналов датчика, причем сначала измеряют величину e первого сигнала, запоминают его амплитуду А1, вырабатывают пороговое значение u=P·A1, где Р<1, затем измеряют величину е второго сигнала датчика, в процессе измерения сравнивают получаемые величины е с пороговым значением u и при выполнении условия e>u вырабатывают требуемый импульс. Одновременно с измерением величины сигнала е запоминают его амплитуду А2, вырабатывают пороговое значение u=Р·А, используемое в следующем цикле формирования импульсов. С приходом каждого нового сигнала датчика повторяют процесс формирования требуемого импульса. По этому способу выполнено устройство [1].
Такой способ неэффективен при изменении амплитуды сигналов в широких пределах, так как понижение порога, необходимое для сигналов низкого уровня, уменьшает помехоустойчивость формирования импульсов из сигналов датчиков.
1
1к
пор1
1к
1к
пр.min
2
2
пор1
1к
пр.min
2
пор1
2
2к
пор2
2к
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, в котором измеряют и сравнивают вольт-секундные площади двух соседних одинаковых по полярности полуволн двухполярных сигналов индукционного датчика частоты вращения, причем сначала измеряют вольт-секундную площадь S первой полуволны, запоминают ее максимальное значение S, вырабатывают пороговое значение S=Q·S, где Q<1, сравнивают S с пороговым значением S, равным предельной минимальной допустимой величине вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов, затем измеряют вольт-секундную площадь S второй полуволны, в процессе измерения сравнивают получаемые величины S с пороговым значением S и при выполнении условий S>S, S>S вырабатывают требуемый импульс. Одновременно с измерением вольт-секундной площади S запоминают ее максимальное значение S, вырабатывают пороговое значение S=Q·S, необходимое для реализации следующего цикла формирования импульсов. С поступлением каждого нового двухполярного сигнала индукционного датчика частоты вращения повторяют процесс формирования требуемого импульса. Способ-прототип нашел реализацию в устройстве [2].
пом
пр.min
пор1
Первым существенным недостатком способа-прототипа является низкая помехоустойчивость формирования требуемых импульсов. Этот недостаток вызван, во-первых, тем, что процесс формирования импульсов не защищен от воздействия однополярных сигналов-помех, вольт-секундная площадь S которых превышает пороговые значения S и S. Такие помехи, имея одинаковую полярность с исследуемыми полуволнами сигналов, приводят к формированию рассматриваемым способом ложных импульсов.
пор1
1к
Во-вторых, при формировании импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, инициируемых несколькими возбудителями (z≥2), рассматриваемый способ не позволяет устанавливать величину порога S формирования требуемых импульсов, близкую к вольт-секундной площади S исследуемых полуволн сигналов.
н
н
max
н
min
н
Последнее утверждение объясняется следующим. Пусть вольт-секундная площадь исследуемых полуволн сигналов индукционного датчика частоты вращения имеет номинальное значение S, а максимальное отклонение ее от номинального значения составляет ±ΔS или в относительных величинах -α=±ΔS/S. Тогда максимальное допустимое значение вольт-секундной площади будет равно S=S·(1+α), а минимальное - S=S·(1-α).
c1
1к
max
пор1max
max
с2
min
пор1max
min
При поступлении сигнала e (фиг.1), вольт-секундная площадь S исследуемой полуволны которого имеет максимальную величину S, вырабатывается пороговый уровень, равный S=Q·S, и для того, чтобы был сформирован требуемый импульс при последующем поступлении полуволны сигнала е, имеющей минимальную вольт-секундную площадь S, необходимо выполнить условие S≤S.
Из последнего отношения получаем
Выбранное с учетом зависимости (1) значение параметра Q остается неизменным в процессе формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения.
пор1min
min
При этом минимальное значение S порога формирования требуемого импульса будет иметь место при поступлении сигнала, вольт-секундная площадь исследуемой полуволны которого равна S, и определится
пор1min
н
В таблице представлены результаты расчета параметров Q и S/S по формулам (1) и (2).
α, %
1
2
3
5
10
15
20
22
25
30
Q
0,98
0,96
0,94
0,92
0,82
0,74
0,67
0,64
0,60
0,54
<img file="00000003.tif" he="12" wi="15" img-content="undefined" img-format="tif" />
0,97
0,94
0,91
0,86
0,74
0,63
0,53
0,50
0,45
0,38
пор1min
пор1min
н
пор1min
н
н
Как видно из таблицы, минимальное значение S порога формирования импульсов существенно зависит от величины а максимального отклонения вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов. Так, например, при α=5% имеем S<0,86·S, то есть при α=5% порог S меньше номинального значения S на 14%, при α=10% - на 26%, а при α=22% он составляет только половину S.
н
пор1
1к
пор1min
н
Отклонение ΔS вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов от ее номинального значения S зависит от неточности установки зазора между возбудителями сигналов и индукционным датчиком частоты вращения, от разброса геометрических и магнитных параметров возбудителей и при числе возбудителей z≥2 может составлять значительную величину. Поэтому в рассматриваемом случае порог S формирования импульсов устанавливается значительно ниже вольт-секундной площади S исследуемой полуволны сигнала, а его минимальное значение S получается существенно меньше номинального значения S вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов, что и приводит к снижению помехоустойчивости процесса формирования импульсов способом-прототипом.
Вторым существенным недостатком способа-прототипа является значительная погрешность в повторении формируемыми импульсами длительности периодов следования сигналов ее датчиков частоты вращения.
н
и
c
и мах
мах
min
и min
min
мах
Такая погрешность обусловлена тем, что при наличии отклонений ΔS площади исследуемых полуволн сигналов от ее номинального значения S в рассматриваемом способе формируются импульсы, периоды Т следования которых не равны соответствующим периодам Т сигналов индукционных датчиков частоты вращения (фиг.2). Разница длительностей этих периодов зависит от величины ΔS, причем максимальное значение периода Т имеет место, когда за сигналом с площадью S следует сигнал с площадью S, а минимальное значение периода Т - когда за сигналом с площадью S следует сигнал с площадью S. При построении графиков фиг.2 и 5 принято значение ΔS, при котором Q=5/8=0.625. Числа, указанные на графиках, представляют собой условные единицы времени.
Кроме того, индукционные датчики частоты вращения вырабатывают двухполярные сигналы, а в способе-прототипе формируются импульсы при наличии однополярных сигналов, то есть информация о наличии второй полуволны (противоположной полярности) не учитывается, что снижает достоверность (надежность) формируемых импульсов.
Перечисленные выше недостатки способа-прототипа приводят к понижению помехоустойчивости, точности и надежности повторения формируемыми импульсами длительности периодов следования сигналов индукционных датчиков частоты вращения.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении помехоустойчивости, точности и надежности повторения формируемыми импульсами длительности периодов следования сигналов индукционных датчиков частоты вращения.
1
1к
пор1
1к
1к
пр.min
2
2
пор1
1к
пр.min
2
пор1
Для достижения указанного технического результата в способе формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, в котором измеряют и сравнивают вольт-секундные площади двух соседних одинаковых по полярности полуволн двухполярных сигналов индукционного датчика частоты вращения, причем сначала измеряют вольт-секундную площадь S первой полуволны, запоминают ее максимальное значение S, вырабатывают пороговое значение S=Q·S, где Q<1, сравнивают S с пороговым значением S, равным предельной минимальной допустимой величине вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов, затем измеряют вольт-секундную площадь S второй полуволны, в процессе измерения сравнивают получаемые величины S с пороговым значением S и при выполнении условий S>S, S>S вырабатывают требуемый импульс в отличие от прототипа:
1
1
пр.min
1
пр.min
2
1. В качестве первой измеряемой полуволны используют первую полуволну, а в качестве второй измеряемой полуволны - вторую (противоположной полярности) полуволну одного и того же двухполярного сигнала индукционного датчика частоты вращения, причем в процессе измерения вольт-секундной площади S первой полуволны сравнивают получаемые величины S с пороговым значением S и в момент выполнения условия S>S вырабатывают разрешение на измерение вольт-секундной площади S второй (противоположной полярности) полуволны, которое отменяют в начале или после начала выдачи требуемого импульса, с поступлением каждого нового двухполярного сигнала индукционного датчика частоты вращения повторяют процесс формирования требуемого импульса.
2
x
2
хк
пор1
1к
пор2
1к
1к
пр.min
пор1
хк
пор2
1к
пр.min
2
пор1
2. В дополнение к п.1, в процессе измерения вольт-секундной площади S второй (противоположной полярности) полуволны двухполярного сигнала индукционного датчика частоты вращения вырабатывают дополнительный параметр S=(1+Q)·S/2, сравнивают его максимальную величину S с пороговыми значениями S=Q·S и S=S и при выполнении условий S>S, S<S<S (вместо условий S>S, S>S по п.1) вырабатывают требуемый импульс.
В отличие от прототипа в предлагаемом способе формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения осуществляется измерение и сравнение вольт-секундных площадей двух полуволн сигнала, инициируемого одним возбудителем (фиг.3а).
с
Индукционные датчики частоты вращения работают на основе закона Фарадея, согласно которому индуцированная ЭДС е 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.
1к
2к
1к
2к
Вольт-секундная площадь S первой полуволны такого сигнала примерно равна аналогичной площади S второй (противоположной полярности) полуволны, а отношение этих площадей R=S/S близко к 1, не зависит от погрешности установки зазора между датчиком и возбудителем, характеристик самого возбудителя и остается постоянным в широком диапазоне частоты вращения.
пор1
1к
Поэтому предлагаемый способ позволяет устанавливать значение порога S формирования импульсов, близкое к вольт-секундной площади S первой полуволны сигнала, что повышает помехоустойчивость процесса формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения.
В качестве примера на фиг.3б показан двухполярный сигнал-помеха, вольт-секундная площадь второй полуволны которого несколько меньше аналогичной площади первой полуволны. В данном случае предлагаемый способ исключает формирование импульса.
пом
пр.min
пом
пор1
Кроме того, в отличие от прототипа в предлагаемом способе формирование импульсов осуществляется только при наличии двухполярного сигнала, причем один или несколько однополярных сигналов-помех (любой полярности и величины) не приводят к формированию ложных импульсов (фиг.3в). Такое условие повышает помехоустойчивость формирования импульсов и их достоверность (надежность). В прототипе каждый сигнал-помеха, имеющий одинаковую полярность с исследуемой полуволной сигнала и вольт-секундную площадь S>S, S>S, приводит к формированию ложного импульса.
x
2
хк
пор1
1к
пор2
1к
хк
2к
Второй пункт формулы предлагаемого способа формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения предусматривает образование дополнительного параметра S=(1+Q)·S/2 и сравнение его максимальной величины S с пороговыми значениями S=Q·S и S=S. При этом S=(1+Q)·S/2.
1к
2к
хк
Так как номинальные значения вольт-секундных площадей двух полуволн одного сигнала индукционного датчика частоты вращения имеют примерно одинаковые величины S≈S, то приведенное выше уравнение для S можно представить в виде
хк
пор1
пор2
хк
пор1
пор2
Из последнего уравнения следует, что в момент принятия решения о формировании требуемого импульса номинальное значение параметра S равно средней арифметической величине порогов S и S, то есть номинальное значение параметра S на фиг.4а находится посредине между порогами S и S.
хк
x
1к
хк
1к
x
хк
При этом максимальное допустимое отклонение параметра S от его номинального значения определится как ΔS=S-S=(1-Q)·S/2, a относительное значение этого отклонения будет равно γ=ΔS/S=(1-Q)/(1+Q).
x
2
Из последнего равенства следует, что п.2 формулы предусматривает весьма жесткий критерий наличия полезного сигнала: относительная величина допуска на изменение дополнительного параметра S (а с небольшой погрешностью можно считать - на изменение площади S) имеет малое значение, например, при Q=0,95 γ=2,6%, при Q=0,9 γ=5,3%, при Q=0,8 γ=11%.
н
Кроме того, наличие отклонений ΔS площади исследуемых полуволн сигналов от ее номинального значения S в предлагаемом способе не влияет на длительность периодов повторения формируемых импульсов, которая в данном случае равна длительности соответствующих периодов следования сигналов индукционных датчиков частоты вращения (фиг.5).
Следовательно, предлагаемый способ формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения в корне отличается от способа-прототипа, в котором измеряются и сравниваются вольт-секундные площади двух соседних одинаковых по полярности полуволн сигналов.
В предлагаемом способе анализу подлежит каждый двухполярный сигнал и формируется требуемый импульс при условии, что этот сигнал соответствует следующим требованиям:
1) сигнал должен быть двухполярным;
1к
пр.min
2) площадь S первой полуволны сигнала должна превышать S;
3) вторая полуволна сигнала должна иметь полярность, противоположную полярности первой полуволны;
2к
пор1
1к
1к
4) площадь S второй полуволны сигнала должна превышать порог S=Q·S, причем значение этого порога весьма высокое (близкое к S) - по п.1 формулы;
2к
5) площадь S второй полуволны сигнала с небольшой погрешностью должна быть равной площади первой полуволны сигнала - по п.2 формулы.
Таким образом, все отличительные признаки, приведенные в двух пунктах формулы предлагаемого способа формирования импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию «новизна». Эти признаки не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники, позволяют получить новое качество и существенное отличие: обеспечивают высокую помехоустойчивость, точность и надежность повторения формируемыми импульсами длительности периодов следования сигналов индукционных датчиков частоты вращения.
В приведенном тексте описания и на фиг.1-6 приняты следующие обозначения и сокращения:
А1, А2 - значения амплитуды исследуемых сигналов;
датчик - индукционный датчик частоты вращения;
c
e - сигнал датчика;
пом
e - сигнал помехи;
ф
u - сформированный импульс;
пор
u - напряжение порога формирования импульсов;
S - площадь сигнала - вольт-секундная площадь полуволны сигнала;
1
2
1к
2к
S, S, S, S - соответственно получаемые в процессе измерения величины вольт-секундных площадей первой и второй исследуемых полуволн сигналов и максимальные (конечные) значения этих площадей;
пом
S - вольт-секундная площадь полуволны сигнала-помехи;
1к
пор1
пор1
1к
Р, Q - коэффициенты, определяющие часть амплитуды А1 или площади S, составляющую порог u=P·A1 или S=Q·S;
пор1,
пор2
пор1
1к
пор2
1к
S S - пороги формирования требуемых импульсов, причем S=Q·S; S=S;
пор1min
пор1max
пор1
S, S - минимальное и максимальное значения S;
пр.min
S - предельное минимальное допустимое значение вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов;
x
хк
x
2
S, S - соответственно получаемые в процессе формирования величины дополнительного параметра и его максимальное (конечное) значение, причем S=(1+Q)·S/2;
н
S - номинальное значение площади исследуемых полуволн сигналов;
min
max
S, S - соответственно минимальное и максимальное допустимые значения вольт-секундной площади полуволн исследуемых сигналов;
н
ΔS, α - абсолютная и относительная величины максимального отклонения площади исследуемых полуволн сигналов от S;
c
и
Т, Т - период следования сигналов соответственно датчика и сформированных импульсов;
Z - число возбудителей на роторе исследуемого объекта;
хк
γ - относительная величина допуска на изменение S;
w - число витков катушки датчика;
Ф - магнитный поток, в котором находится катушка;
R - отношение площадей первой и второй полуволн сигнала датчика.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1-6, на которых представлены:
фиг.1 - временные диаграммы формирования импульсов по способу-прототипу;
и
фиг.2 - временные диаграммы, иллюстрирующие влияние ΔS на Т в способе-прототипе;
фиг.3 - временные диаграммы формирования импульсов по пункту 1 формулы предлагаемого способа;
фиг.4 - временные диаграммы формирования импульсов по пункту 2 формулы предлагаемого способа;
и
фиг.5 - временные диаграммы, иллюстрирующие независимость Т от ΔS в предлагаемом способе;
фиг.6 - блок-схема одного из возможных устройств, реализуемых на основе предлагаемого способа формирования импульсов.
c
1
1
2
В приведенном на фиг.6 варианте реализации предлагаемого способа сигналы е индукционного датчика частоты вращения поступают на входы блока 1 измерения S, инвертора 4 сигналов и блока 6 управления. При этом в блоке 6 управления вырабатываются сигналы разрешения измерения S, S и выдачи требуемых импульсов:
1
- разрешение измерения S при наличии на входе блока 6 первой полуволны сигнала (подается на блок 1);
2
x
1к
пр.min
- разрешение измерения S или S при наличии на входе блока 6 второй полуволны сигнала и при S>S (подается на блок 5);
1к
пр.min
- разрешение выдачи требуемого импульса при S>S (подается на блок 3).
1
В блоке 1 путем интегрирования производится измерение S;
1к
пор1
1к
В блоке 2 запоминается значение S формируется порог S=Q·S.
2
пор
хк
пор1
пор2
В блоке 3 выполняется сравнение площадей S с Si (по п.1 формулы) или S с S и S (по п.2 формулы) и вырабатывается требуемый импульс.
с
Инвертор 4 изменяет полярность сигналов е на противоположную с коэффициентом передачи, равным К=-1 (по п.1 формулы) или К=-(1+Q)/2 (по п.2 формулы). Если же из-за каких-либо конструктивных особенностей системы ротор-возбудители-датчик величина площади второй полуволны существенно отличается от площади первой полуволны сигнала датчика, то подбором коэффициента передачи инвертора 4 представляется возможным устранить влияние этого неравенства на формирование импульсов.
2
x
В блоке 5 путем интегрирования производится измерение S (по п.1 формулы) или S (по п.2 формулы).
1
2
x
Блоки 1 измерения S и 5 измерения S или S представляют собой интеграторы и могут быть выполнены на операционных усилителях, например на микросхеме 1401УД2А δКО.347.306-01ТУ [5].
1к
пор1
Блок 2 запоминания S и формирования S является амплитудным детектором с подключенным к нему резисторным делителем напряжения, причем амплитудный детектор может быть выполнен на микросхеме 1401УД2А.
Блок 3 сравнения вольт-секундных площадей и формирования выходных импульсов может быть реализован на компараторах, например 1401СА1 δКО.348.651-ОЗТУ, и одновибраторах, например 564АГ1 δКО.347.064-32ТУ.
Инвертор 4 сигналов является инвертирующим операционным усилителем, выполненным, например, на микросхеме 1401УД2А.
Блок 6 управления состоит из пороговых элементов, например компараторов 1401СА1, и аналоговых ключей, например 590КН9 δКО.347.000-10ТУ или 590КН13 δКО.347.000-16ТУ.
Выполненные по предлагаемому способу формирователи импульсов предназначены в основном для работы совместно с устройствами измерения частоты. Так, например, в тандеме с устройством, представленным в [6], они позволяют создавать помехоустойчивые высокоточные модули измерения и контроля частоты, которые могут быть использованы прежде всего в системах аварийной защиты энергонасыщенных объектов, таких, например, как жидкостные ракетные и газотурбинные авиационные двигатели [7]. При этом одним из источников помех могут быть электрические цепи (кабели) систем управления двигателем, по которым осуществляется подача мощных сигналов, управляющих исполнительными элементами двигателя (пироклапанами, электропневмоклапанами и др.).
Использование в данном случае предлагаемого способа формирования импульсов позволит значительно повысить эффективность аварийной защиты испытываемых объектов и стендов от разрушений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Авторское свидетельство СССР №1550611, A1, H03K 5/24, G05B 1/01, опубл. 15.03.90 г.
2. Патент RU №2173022, С2, МПК7 Н03К 5/153, опубл. 27.08.2001 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.
5. Интегральные микросхемы. Операционные усилители и компараторы. Справочник, том 12, изд. 2, Додека-21в, 2002 г.
6. Патент RU N 2300112, С2, МПК G01R 23/10, опубл. 27.05.2007.
7. Н.Н.Севрюгин, И.А.Потапов, А.Н.Попов, A.M.Цирихов «Опыт автоматизации процесса испытаний авиационных газотурбинных двигателей || Приборы и Системы. Управление, контроль, диагностика. 2001. N5.