ДАТЧИК УГЛА ПОВОРОТА
TURNING ANGLE SENSOR

Изобретение относится к железнодорожной (ж/д) технике и может быть использована для бесконтактного измерения скорости вращения колесной пары локомотива и ее преобразования в дискретные электрические сигналы, используемые в измерительных системах, контролирующих направление движения, пройденный путь, скорость и ускорение подвижного состава ж/д транспорта при скорости движения до 500 км/ч.
Также изобретение может быть использовано для измерения угловой скорости вращения различных скоростных валов, например, в турбинах, для измерения угла поворота, измерения параметров газоперекачивающих агрегатов, дизельных двигателей, станков и других циклических машин.
Общеизвестны различные устройства измерения угла поворота:
- чисто механические;
- оптические;
- фотоэлектрические;
- электромеханические (синус-косинусные вращающиеся трансформаторы);
- магнитные;
- электромагнитные;
- пьезоэлектрические (на эффекте Холла);
- считыванием нанесенных меток на поверхности вала и еще несколько других типов.
Наиболее близким техническим решением является измеритель крутящего момента, который представляет собой систему, состоящую из двух кластеров вихретоковых датчиков и двух групп меток, нанесенных на вал. Метки, выполненные из материала с более высокой электропроводностью, наносятся аддитивным методом в двух разнесенных поперечных сечениях вала. Каждый кластер датчиков представляет собой три датчика, неподвижно закрепленных на статоре агрегата. Датчики регистрируют время прохождения меток в каждом сечении.
Недостаток: требуется свободная по длине поверхность вала и усложненное техническое решение, также не измеряет направление вращения: по часовой стрелке и против - ПРОТОТИП, см. kaa@iidt.ru.
Применительно к данной заявке следует заметить, что измерение скорости локомотива отягощается следующим: датчик измерение скорости должен устанавливаться на буксе (двух буксах) колесной пары подвижного состава локомотива, на замену существующих механических датчиков, к тому же на их посадочное место (требование заказчика).
Существующие механические датчики обладают двумя основными недостатками: очень сложной конструкцией и удовлетворительной работой на скоростях до 100…120 км/ч, далее возрастает погрешность из-за недостатков, присущих почти всем механическим системам при больших нагрузках.
Недостатком прототипа является обязательное наличие свободной площади по длине и окружности вала, а т.к. заявка носит сугубо прикладной характер применительно к ж/д тематике и в буксе есть только торец вала, то из прототипа взято только применение меток-маркеров.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения углов поворота и скорости на больших скоростях движения локомотива вплоть до 500 км/час и выше с одновременным повышением надежности, а побочной задачей является создание конструктива, позволяющего вписаться в посадочное место механического датчика.
Технический результат достигается за счет размещения меток-маркеров на диске прикрепленному к торцу вала, выбора оптимального их количества и применяемого материала, а также явной простоты конструкции и отсутствие движущихся механических частей.
Для решения поставленной задачи предлагается датчик угла поворота, характеризующийся тем, что содержит: вал буксы, диск с нанесенными на него маркерами, два вихретоковых датчика считывания и вихретоковый датчик коррекции расстояния со следующими соединениями: диск жестко закреплен на выступающем торце вала буксы ж/д колеса локомотива, на внешнем краю диска в области нанесения маркеров расположен 21 маркер, на расстоянии 4-5 мм от внешнего края иска на кронштейне расположены вихретоковые датчики следующим образом: вихретоковые датчики маркеров над зоной маркеров в диаметральном направлении, а вихретоковый датчик коррекции вне зоны маркеров по радиусу к одному из датчиков маркеров, выходы всех вихретоковых датчиков соединены с микроконтроллером.
На фиг. 2 показана функциональная электрическая схема датчика угла поворота, на которой показано (совместно с фиг. 1):
1, 2, 8 - вихретоковые датчики (первый второй и третий соответственно);
3 - диск с маркерами 5;
4 - вал буксы;
9 - блок трех прецизионных резисторов;
10 - блок трех фильтров-усилителей с компараторами;
11 - микроконтроллер (МК);
12 - схема обработки токовых сигналов.
На оси вала 4 прикреплен диск 3 с маркерами 5, выходы диска 3 соединены с вихретоковыми датчиками 1, 2 и 8 соответственно, выходы которых токовыми сигналами через блок трех прецизионных резисторов 9 соединены с входами блока первого, второго и третьего фильтра-усилителя с компараторами 10 соответственно, выходы компараторов этих фильтров-преобразователей соединены с соответствующими входами МК 11, выход которого является выходом датчика угла поворота.
На фиг. 1 показаны две проекции конструкции диска и его расположение относительно вала буксы, на которых изображено:
1, 2 - вихретоковые датчики первый и второй;
3 - диск;
4 - вал буксы;
5 - метки-маркеры;
5-1 - расстояние между метками-маркерами;
6 - зазор между диском и вихретоковыми датчиками;
7 - область нанесения маркеров;
8 - вихретоковый датчик коррекции расстояния.
Крепление диска к валу буксы условно не показано, также не показан кронштейн для крепления вихретоковых датчиков и их соединение с МК.
На фиг. 3 и 4 показаны кривые напряжений на выходе вихретокового датчика на скоростях 73 км/час (32 о/мин) и 500 км/час (223 об/мин), а также НЧ-модуляция сигналов.
Конструкция датчика угла поворота имеет следующие соединения.
К торцу вала 4 буксы прикреплен диск 3, причем строго относительно центра вала и центра диска. На расстоянии 6 (зазор) 4-5 мм от диска, следовательно, маркеров, расположены три вихретоковых датчика: первый и второй в области нанесения маркеров по противоположным краям по диаметру, а третий вихретоковый датчик коррекции 8 на расстояния вне зоны по радиусу с любым из двух маркеров (первого или второго).
Все три вихретоковых датчика расположены на одном кронштейне, а их выходы соединены с входами МК для дальнейшей обработки.
Причем, ширина зазора между первым и вторым маркером равна удвоенному зазору между всеми другими маркерами. Это необходимо для определения начала отчета с нулевой отметки. Отсчитав 21 отметку маркеров и зазоров, а это половина оборота колеса, и определив время этого отсчета, затем отсчитав следующую 21 отметку маркеров и зазоров, а эго полный оборот колеса, и определив второй отсчет времени, а затем, сравнив это время между собой и в случае разницы этих времен можно судить о неправильности геометрической формы колеса - овальности. Это новая функция предложенного технического решения.
Датчик угла поворота работает следующим образом и имеет простую конструкцию. На диске нанесен 21 алюминиевый маркер, его ширина выбрана таким образом, что их ширина равна зазору между ними для контроля момента прохождения полного оборота, следовательно, общее количество информационных элементов равно 42.
Наличие двух вихретоковых датчиков 1 и 2 нужно для однозначного определения направления вращения, третий датчик определения расстояния служит для измерения и коррекции паразитной НЧ-составляющей полезного сигнала.
В предлагаемом устройстве используется как фазовая информационная составляющая сигнала, гак и уровень самого сигнала в разные моменты времени, а также крутизна фронтов и спадов фазовых импульсов.
Способ получения первичного сигнала базируется на свойстве вихретокового датчика с аналоговым выходом реагировать как на величину зазора между собственно датчиком и электропроводящей поверхностью (целью), так и на величину проводимости. При постоянном зазоре между датчиком и целью величина выходного сигнала зависит от электропроводности цели (чем она выше, тем больше сигнал), при неизменной электропроводности цели и изменяющемся зазоре величина сигнала будет зависеть от величины зазора (чем больше зазор, тем больше сигнал). Таким образом, для вращающегося вала с нанесенными маркерами на диске становится возможным с помощью вихретокового датчика формировать фазоимпульсный сигнал, каждый импульс которого будет соответствовать прохождению маркера относительно вихревого датчика. Ширина маркеров выбирается из расчета на получение импульса с четко видимой формой, таким образом, максимальный уровень сигнала будет зависеть от расстояния между датчиком и диском на вале в тот момент, когда под датчиком находится маркер, а минимальный уровень сигнала будет зависеть от расстояния между датчиком и поверхностью диска в тот момент, когда под датчиком находится непроводящая поверхность диска.
Сформированный таким образом первичный сигнал поступает в блок аналоговой обработки (на чертеже условно не показан), где осуществляется его фильтрация в соответствии с конкретными условиями эксплуатации (подавление частот выше частоты следования фазовых импульсов первичного сигнала), а также осуществляется необходимое преобразование для дальнейшей передачи в аналогово-цифровой преобразователь. Кроме того, блок аналоговой обработки и питания обеспечивает питание датчика.
Установленный вне зоны прохождения маркеров на линии радиуса, проходящего через датчик маркеров, датчик коррекции позволит получать значение расстояния между поверхностью диска и датчиком маркеров, позволяя тем самым скорректировать его выходной уровень и практически полностью избавиться от НЧ-модуляции, вызванной любой из вышеописанных причин, обеспечивая расширением динамического диапазона и облегчая задачу обработки основного сигнала прохождения маркеров. Вычитание сигнала дальности можно производить как на первичном этапе (в аналоговом виде), так и во время цифровой обработки.
Наиболее простым с точки зрения вычислений является определение скорости вращения, то есть числа оборотов вала в минуту. Зная количество маркеров, можно определить время, за которое вал проходит один оборот, затем нетрудно вычислить количество оборотов в минуту (формула 1.1).
где t - время одного оборота, выраженное в тактах АЦП, Δt - длительность такта АЦП, выраженное в секундах, N - число оборотов в минуту.