СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ КЛАПАНА
PROCEDURE FOR IDENTIFICATION OF VALVE POSITION

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для идентификации положения запорного клапана трубопроводной арматуры, в том числе ручного клапана.
Известен способ измерения угла поворота вала (SU 1188524 A, 30.10.85), заключающийся в том, что при помощи вращающегося модулятора возбуждают на выходах подвижного и неподвижного датчиков импульсы, определяют направление угла поворота вала и сравнивают его с направлением вращения модулятора. При совпадении этих направлений измеряют временные интервалы от импульса с неподвижного датчика до импульса с подвижного датчика, а при несовпадении этих направлений измеряют временные интервалы от импульса с подвижного датчика до импульса с неподвижного датчика.
Однако данный способ измерения не исключает ошибок, связанных с эксцентриситетом модулятора относительно вала и колебанием мгновенной скорости вращения модулятора.
Известен способ измерения смещения объектов (SU 1234722 A1, 30.05.86), который предусматривает измерение контролируемого параметра с помощью сетки с последовательностью отсчетных штрихов разной ширины на известном расстоянии от начального отсчетного штриха и обработки полученного информационного сигнала путем измерения смещения изображения штриха в поле зрения фотоэлектрического преобразователя с учетом поправки, информация о которой закодирована в ширине штриха.
Данный способ при повышении точности контроля за счет увеличения диапазона измерения контролируемого параметра во столько раз, сколько нанесено дополнительных штрихов, не предусматривает определение направления вращения.
Известен способ определения направления вращения диска (SU 851267 A1, 30.07.81), заключающийся в установлении по окружности отверстий диска двух фотодатчиков, соединенных через формирователи импульсов, с логическим устройством, формирующим однозначный сигнал на выходе.
Однако размещение датчиков на объекте усложняет настройку схемы. К тому же данный способ не позволяет определить величину углового перемещения вала.
Известен способ измерения углового положения вала двигателя внутреннего сгорания (SU 1078115A1, 07.03.84), заключающийся в размещении импульсных датчиков относительно контролируемого вращающегося вала, формировании в процессе вращения вала одним из датчиков - опорного импульса, другим из них - угловых импульсов, подсчете сформированных после появления опорного импульса, угловых импульсов, по числу которых судят о положении контролируемого вала.
Недостатком данного способа является то, что взаимная ориентация опорной и угловых меток, нанесенных на вал или связанный с ним диск, обуславливает сложность синхронизации опорных и угловых импульсов, что, в свою очередь, приводит к возникновению ошибки измерения.
Все вышеописанные способы осуществимы только при достаточно равномерном вращении вала без резких остановок и возможных многократных изменений направления вращения, присутствующих при работе ручного клапана.
Известен способ измерения углового положения вала (SU 1728642 A1, 23.04.92), заключающийся в том, что в процессе вращения вала по сигналам одного импульсного датчика формируют опорный импульс, угловые импульсы, измеряют периоды следования угловых импульсов, сравнивают между собой следующие друг за другом периоды следования импульсов, передний фронт опорного импульса формируют при превышении состояния измеренных периодов заданного порогового значения, а задний фронт - по n-му угловому импульсу, сформированному после формирования переднего фронта опорного импульса.
Поскольку способ позволяет жестко синхронизировать второй фронт опорного импульса с угловыми импульсами, исключается неоднозначность измерения углового положения вала при подсчете угловых импульсов после этого фронта опорного импульса, что повышает точность и стабильность измерения.
Однако необходимость формирования и сравнения двух видов импульсов - опорного и углового - усложняет осуществление указанных операций при программной реализации способа.
Наиболее близким является способ идентификации цилиндрических объектов (RU 2347293 C2, 20.02.2009), заключающийся в том, что на кольцеобразный участок поверхности наносят идентификационный код, который образован последовательностью маркировочных символов в виде простых геометрических знаков или фигур. Каждый повторяющийся идентификационный код снабжен дополнительным маркировочным символом, указывающим на номер идентификационного кода данного объекта и используемым в процессе регистрации для определения угла поворота объекта относительно направления наблюдения. Распознавание символов и считывание идентификационного кода осуществляется автоматизированным способом.
Однако применение данного способа подразумевает использование для автоматизированного распознавания символов системы технического зрения, что неоправданно усложняет техническую реализацию способа для определения угла поворота штока клапана и идентификации его положения.
Кроме того, автоматизированное непрерывное однозначное распознавание символов в виде геометрических фигур на объекте, двигающемся с переменной скоростью, является задачей, требующей использование сложных алгоритмов с применением значительных вычислительных мощностей, что снижает надежность системы в целом. Использование же простых дискретных импульсных датчиков для реализации данного способа является проблемным.
Также точность определения угла поворота относительно направления наблюдения в данном способе является невысокой и зависит от угла обзора системы автоматизированного распознавания символов.
Задачей изобретения является обеспечение идентификации положения клапана при неравномерных скоростях и изменяющихся направлениях вращения штока, повышение точности измерения угла поворота штока и расширение диапазона использования.
Задача достигается тем, что в способе идентификации положения клапана, заключающемся в том, что на участок поверхности наносят идентификационный код, образованный последовательностью меток, ориентированных вдоль линии маркировки, и обеспечивающий автоматизированное распознавание меток, при считывании идентификационного кода формируют импульсный сигнал, различающийся в зависимости от направления считывания идентификационного кода, преобразуют импульсный сигнал в цифровой двоичный код, который сравнивают с эталоном, и по совпадению полученного цифрового кода и эталона идентифицируют положение клапана. В качестве участка поверхности для нанесения идентификационного кода используют сектор вала клапана или экран, жестко соединенный с валом клапана. При этом длины D меток в направлении считывания, образующих идентификационный код, выбирают таким образом, чтобы они удовлетворяли условиям:
D=d для кодирования логической единицы;
D=(n+1)·d для кодирования логического нуля;
где d - фиксированное расстояние между метками в горизонтальном направлении;
max
min
max
min
n - коэффициент, учитывающий возможное изменение линейной скорости вращения сектора и численно равный V/V; где V и V - соответственно максимальная и минимальная скорости вращения вала.
На фиг.1 схематически изображен вентиль с устройством для определения положения вала; на фиг.2 - экран с реализацией двух последовательностей меток, образующих идентификационный код А и идентификационный код В.
Датчик 1 импульсов (см. фиг.1), например, индуктивный, устанавливают на неподвижном корпусе 2 клапана 3. Выход датчика 1 соединяют с входом микроконтроллера с программным обеспечением (не показан). Устройство содержит экран 4, реализованный в виде сегмента полого цилиндра и жестко соединенный со штоком 5 клапана 3. На экране 4 в горизонтальном направлении выполняют отверстия 6, например, прямоугольные.
В частном варианте вместо отверстий на экран наносят экранирующую краску и используют импульсный фотодатчик.
В другом частном варианте отверстия выполняют на секторе вала клапана.
Метки 7 выполнены в виде промежутков с переменной шириной между отверстиями 6. Последовательность меток 7 и отверстий 6 образует идентификационный код. Например, при реализации двух последовательностей меток (см. фиг.2) идентификационные коды несут информацию о двух положениях вентиля: ОТКРЫТО и ЗАКРЫТО.
В процессе открывания/закрывания клапана 3 жестко закрепленный на штоке 5 экран 4 одновременно и синхронно вращается вместе со штоком. При движении экрана 4 в непосредственной близости от датчика 1 последний выдает дискретный сигнал (импульс) при попадании метки в его зону срабатывания. На выходе датчика 1 формируется распределенный во времени электрический импульсный сигнал, соответствующий количеству и протяженности меток, попавших в зону срабатывания датчика. Этот сигнал с выхода датчика 2 поступает на вход микроконтроллера (не показан), который по заданному алгоритму переводит принятый сигнал в двоичный код и выполняет функцию сравнения этого кода с записанными в него эталонными кодами. Функция сравнения может быть реализована, например, методом согласованной фильтрации. При совпадении принятого и эталонного кода микроконтроллер на своем выходе формирует сигнал соответствующего состояния клапана, который передается по линии связи на индикатор и/или пульт оператора. При несовпадении принятого и эталонного кода (из-за возможных рывков и кратковременной остановки штока в области расположения меток) микроконтроллер на своем выходе формирует сигнал неопределенного состояния клапана. Для актуализации заданного состояния клапана в этом случае необходимо вернуть клапан в предшествующее состояние и повторить процедуру для корректного считывания кодовой последовательности.
Рассмотрим выполнение предложенного способа при реализации двух последовательностей меток, образующих идентификационный код А и идентификационный код В (см. фиг.2), которые несут информацию о двух положениях вентиля: ОТКРЫТО и ЗАКРЫТО.
При прохождении через зону действия датчика справа налево последовательности меток, соответствующих идентификационному коду А, формируется сигнал, преобразуемый в цифровой двоичный код 0111, соответствующий эталонному коду ЗАКРЫТО. Микроконтроллер на своем выходе формирует сигнал закрытого состояния клапана.
При прохождении через зону действия датчика слева направо последовательности меток, соответствующих идентификационному коду В, формируется сигнал, преобразуемый в цифровой двоичный код 1101, соответствующий эталонному коду ОТКРЫТО. Микроконтроллер на своем выходе формирует сигнал открытого состояния клапана.
При прохождении последовательности меток, соответствующих идентификационному коду А, через зону действия датчика импульсов слева направо формируется сигнал, преобразуемый в цифровой двоичный код 1110, не соответствующий ни одному из эталонных кодов. Микроконтроллер на своем выходе формирует сигнал неопределенного состояния клапана.
При прохождении последовательности меток, соответствующих идентификационному коду В, через зону действия датчика импульсов справа налево формируется сигнал, преобразуемый в цифровой двоичный код 1011, не соответствующий ни одному из эталонных кодов. Микроконтроллер на своем выходе формирует сигнал неопределенного состояния клапана.
Таким образом, устройство контроля состояния клапан формирует сигнал открытого или закрытого состояния клапана только в случае корректного считывания датчиком в заданном направлении соответствующей последовательности меток на экране, образующих идентификационный код.
При необходимости актуализации более двух состояний клапана необходимо использовать последовательности меток, образующие идентификационные коды, количество которых соответствует количеству требуемых для актуализации состояний.
При открывании и закрывании клапана вручную возможно вращение штока клапана с переменной скоростью, которая лежит в пределах физических возможностей человека. Опытным путем установлено, что средняя скорость вращения штока клапана при открывании/закрывании его вручную составляет от 0,2 до 5 оборотов в секунду. В процессе одного цикла открывания/закрывания скорость вращения штока может изменяться в несколько раз, а при вращении без остановки на одном обороте штока скорость изменяется незначительно (на 30…50%). Это приводит к произвольным изменениям длительностей импульсов от меток. Для однозначной идентификации считываемой последовательности меток в данных условиях необходимо использовать кодирование наименее подверженное влиянию изменения скорости вращения штока в процессе закрывания/открывания. Для решения данной задачи используется следующий способ кодирования идентификационного кода:
D=d для кодирования логической единицы;
D=(n+1)·d для кодирования логического нуля;
где d - фиксированное расстояние между метками в горизонтальном направлении;
D - длина метки в горизонтальном направлении;
max
mim
max
min
n - коэффициент, учитывающий возможное изменение скорости вращения штока клапана при прохождении метки и численно равный V/V где V и V - соответственно максимальная и минимальная скорости вращения вала.
пред
м
пред
м
м
При считывании последовательности меток с помощью датчика определяется длительность t отсутствия импульса метки, измеряется длительность τ следующего импульса метки и сравнивается значения τ и τ. Если длительность τ удовлетворяет условию
м
то принимают решение, что приятый сигнал соответствует логической единице. Если длительность импульса метки τ удовлетворяет условию
то принимают решение, что приятый сигнал соответствует логическому нулю.
м
Если длительность τ не удовлетворяет ни одному из условий (1), (2), то принимают решение о неопределенном сигнале.
Так как в микроконтроллере сравнивается не только количество импульсов от меток, но и их взаимное расположение, вероятность искусственного формирования кода ОТКРЫТО при закрытом клапане и ЗАКРЫТО при открытом клапане путем манипуляции со штоком (разнообразные рывки и вращения в прямом и обратном направлениях при расположении датчика в области меток) сведена к минимальной. Введение коэффициента n, учитывающего возможное изменение скорости вращения при прохождении метки, обеспечивает контроль положения клапана при неравномерных скоростях вращения штока клапана.