Устройство для измерения угла поворота дроссельной заслонки
DEVICE FOR MEASURING THE ANGLE OF THE THROTTLE VALVE

Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительной техники и может быть использовано в системах управлении буровыми установками.
Известен датчик положения дроссельной заслонки двигателя внутреннего сгорания (см. патент SU 2272924 С1, 27.03.2006), содержащий цилиндрический корпус, резистивный элемент, выполненный в виде пленки с нанесенным на нее резистивным слоем в форме дорожек и закрепленный на внутренней поверхности цилиндрического корпуса, плоскую контактную пружину одни конец которой снабжен выходной клеммой, а другой - контактными лапками, и установленную с возможностью перемещения по резистивному слою и кинематически связанную с осью дроссельной заслонки, а также входные клеммы для подсоединения к источнику напряжения, два дополнительных резистивных элемента, размещенных соответственно между концами резистивного слоя и входными клеммами, контактные лапки имеют V-образную форму в плоскости, перпендикулярной поверхности контактной пружины, при этом область контакта контактных лапок с резистивным слоем расположена в месте их перегиба. При этом контактная пружина выполнена из нейзильбера, а ее контактные лапки - из серебросодержащего сплава. Работа этого устройства заключается в том, что при повороте дроссельной заслонки контактная пружина, связанная через привод, соединенный с осью заслонки, перемещается вдоль резистивного слоя, в результате чего изменяется величина выходного сопротивления потенциометрического датчика и, как следствие, величина выходного напряжения. Значение выходного сопротивления пропорционально углу поворота дроссельной заслонки.
К недостатку этого известного датчика можно отнести сложность в конструктивном исполнении и ненадежность из-за старения и износа резистивных элементов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является принятый автором за прототип устройство для измерения угла поворота (SU 2492419 С1, 10.09.2013), содержащее первый источник питания, соединенный с входом сельсина-датчика, вычитатель, подключенный ко второму источнику питания, выпрямитель, соединенный выходом с первым плечом генератора с варакторной перестройкой частоты, третий источник питания и измеритель частоты. В этом устройстве измерение частоты генератора электромагнитных колебаний, дает возможность измерить угол поворота контролируемого объекта, (сельсина - датчика).
Недостатком этого известного устройства можно считать низку точность, связанную с вычитанием двух переменных сигналов в вычитателе и преобразованием угла поворота ротора сельсина - датчика в напряжение.
Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение точности измерения угла поворота.
Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения угла поворота дроссельной заслонки, содержащее генератор электромагнитных колебаний, соединенный первым плечом с источником питания и измеритель, введены волноводный циркулятор, отрезок прямоугольного волновода, детектор, усилитель и отрезок дугообразного диэлектрического волновода с перемещающейся по его поверхности металлической пластинкой, жестко связанной с осью дроссельной заслонкой, причем второе плечо генератора электромагнитных колебаний подключено к первому плечу циркулятора, второе плечо, которого соединено с входом отрезка прямоугольного волновода, выход последнего подключен к отрезку дугообразного диэлектрического волновода, третье плечо циркулятора через детектор соединено с входом усилителя, выход которого подключен к входу измерителя.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, измерение амплитуды отраженного от поверхности, перемещающейся по поверхности отрезка дугообразного диэлектрического волновода металлической пластинки сигнала, дает возможность измерить угол поворота дроссельной заслонки.
Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу измерения угла поворота дроссельной заслонки на основе измерения амплитуды отраженного от поверхности перемещающейся по поверхности отрезка дугообразного диэлектрического волновода металлической пластинки сигнала с желаемым техническим результатом, т.е. повышением точности измерения.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
Данное устройство содержит источник питания 1, соединенный с первым плечом генератора электромагнитных колебаний 2, волноводный циркулятор 3, отрезок прямоугольного волновода 4, отрезок дугообразного диэлектрического волновода 5, детектор 6, усилитель 7 и измеритель 8. На фигуре цифрой 9 обозначена металлическая пластинка.
Устройство работает следующим образом. С выхода блока питания 1 сигнал поступает на первое плечо генератора электромагнитных колебаний 2, который генерирует электромагнитные колебания. После этого выходной сигнал генератора (электромагнитная волна) с помощью второго его плеча подают на первое плечо волноводного циркулятора 3. В последнем сигнал с первого плеча переносится его во второе плечо. Далее сигнал поступает на вход отрезка прямоугольного волновода 4, который осуществляет подачу электромагнитного сигнала в отрезок дугообразного диэлектрического волновода 5.
Как известно дроссельная заслонка фактически является клапаном, который при открытии повышает давление в системе до атмосферного, а при закрытии снижает объем воздуха до состояния вакуума. Конструктивно дроссельная заслонка представляет собой круглую пластину, способную поворачиваться на 90 градусов вокруг своей оси (от полного закрытия до полного открытия). В соответствии с этим, в предлагаемом техническом решении, для измерения угла поворота заслонки, ось дроссельной заслонки жестко скрепляют с металлической пластинкой 9, перемещающейся по поверхности отрезка дугообразного диэлектрического волновода. При этом полное закрытие заслонки должен соответствовать нулевому перемещению пластинки на поверхности диэлектрического волновода (начало отрезка диэлектрического волновода), а полное открытие заслонки - максимальному перемещению пластинки на поверхности диэлектрического волновода (конец отрезка диэлектрического волновода).
До открытия заслонки (нулевое перемещение пластинки) подводимая (подающая на поверхность пластинки) к отрезку дугообразного диэлектрического волновода электромагнитная волна (нулевое перемещение пластинки) отражается от поверхности металлической пластинки и поступает обратно в отрезок прямоугольного волновода. Далее отраженная от поверхности пластинки электромагнитная волна, пройдя отрезок прямоугольного волновода и второе плечо циркулятора, по принципу действия волноводного циркулятора, снимается с третьего плеча циркулятора. После этого отраженный сигнал поступает на вход детектора 6. В рассматриваемом случае величина отраженного от поверхности металлической пластинки сигнала (волны) зависит от места расположения пластинки на поверхности диэлектрического волновода и мощности падающего на пластинку сигнала. Если считать, что мощность падающего на пластинку сигнала остается постоянным, то тогда значение данного отраженного сигнала изменится в зависимости от точки нахождения пластинки на поверхности диэлектрического волновода. Следовательно, при перемещении пластинки по поверхности диэлектрического волновода, величина указанного отраженного сигнала изменится в зависимости от расстояния между началом диэлектрического волновода (выход отрезка прямоугольного волновода) и местом нахождения пластинки на поверхности диэлектрического волновода. При этом при удалении металлической пластинки от начала диэлектрического волновода, амплитуда отраженного от поверхности пластинки сигнала будет убивать, а при приближении к началу диэлектрического волновода - расти. Так как металлическая пластинка жестко скреплена с осью дроссельной заслонки, то перемещение заслонки вокруг своей оси обусловит адекватное перемещение пластинки по поверхности диэлектрического волновода. В силу этого измерением амплитуды отраженного от поверхности перемещающейся пластинки сигнала можно получить информацию об угле поворота заслонки. В данном устройстве для измерения амплитуды отраженного сигнала, продетектированный сигнал с выхода детектора поступает на вход усилителя 7. С выхода последнего усиленный сигнал падают на вход измерителя 8, где отражается информация о величине угла поворота дроссельной заслонки. При этом максимальное значение измеренного сигнала будет соответствовать отсутствию угла (нулевое перемещение пластинки) поворота заслонки, а минимальное - максимальной величине угла поворота заслонки (максимальное перемещение пластинки).
При реализации данного технического решения отрезок дугообразного диэлектрического волновода должен быть снабжен на краях направляющими, обеспечивающими вертикальное положение пластинки на поверхности данного диэлектрического волновода и свободное перемещение пластинки по нему. Кроме того, радиус и длина дуги диэлектрического волновода должны выбираться с учетом полного поворота заслонки вокруг своей оси. Выбор геометрических размеров металлической пластинки (высота и ширина) целесообразно произвести с учетом длины электромагнитных волн, используемых для зондирования металлической пластинки.
Предлагаемое техническое решение может быть использовано не только в автомобильной промышленности, но и на буровых установках для контроля потока бурового раствора.