Патент на изобретение №2352057

(54) ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ ИЗ СИГНАЛОВ ИНДУКЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

(57) Реферат:

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. Технический результат заключается в повышении надежности, помехоустойчивости и точности повторения формируемыми импульсами длительности периодов следования сигналов индукционных датчиков частоты вращения. В устройстве измеряют и сравнивают вольт-секундные площади двух полуволн каждого сигнала индукционного датчика частоты вращения, причем сначала измеряют площадь S_1к первой полуволны и вырабатывают пороговое значение S_пор1=Q·S_1к, где Q<1, затем измеряют площадь S₂ второй полуволны и в процессе измерения S2 вырабатывают дополнительный параметр S_x=(1+Q)·S₂/2, сравнивают его максимальную величину S_хк с пороговыми значениями S_пор1, S_1к и при выполнении условия S_пор1хкпор2 вырабатывают требуемый импульс. Устройство содержит два интегратора (3, 16), амплитудный детектор (4), инвертирующий операционный усилитель (15), пять пороговых элементов (1, 7, 10, 12, 13), три ключа (2, 8, 17), два элемента И (11, 14), два одновибратора (18, 19) и три резистора (5, 6, 9). 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

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.

Известно устройство [1], которое формирует импульсы из однополярных сигналов датчиков, причем величина порога формирования каждого импульса определяется амплитудой предшествующего ему сигнала.

Рассматриваемое устройство-аналог содержит по два амплитудных детектора, резисторных делителей напряжения, компаратора, ключа, элемента ИЛИ-НЕ, триггер, элементы И-НЕ и ИЛИ.

Существенным недостатком этого устройства является то, что оно не позволяет формировать импульсы в широком диапазоне амплитуды входных сигналов, так как понижение порога, необходимое для сигналов низкого уровня, уменьшает помехоустойчивость устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достижимому положительному эффекту является принятое за прототип устройство [2], в котором измеряется вольт-секундная площадь S₂ отрицательной полуволны каждого сигнала индукционного датчика частоты вращения и в процессе измерения сравниваются получаемые величины S₂ с пороговым значением S_пор1=Q·S_1к, равным части вольт-секундной площади S_1к аналогичной полуволны предыдущего сигнала датчика. Требуемый импульс формируется при выполнении условий S_1к>S_пр.min, S₂>S_пор1, где S_пр.min – предельная минимальная допустимая величина вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов датчика.

В состав устройства-прототипа (фиг.1) входят первый 1, второй 7 и третий 13 пороговые элементы, первый 2, второй 8 и третий 17 ключи, интегратор 3, амплитудный детектор 4, первый 5 и второй 6 резисторы, элемент И 11, одновибраторы 18, 19 и конденсатор 20.

Первым существенным недостатком устройства-прототипа является низкая надежность, что обусловлено следующим.

Во-первых, в рассматриваемом устройстве интегратор 3 измеряет площадь отрицательной полуволны каждого сигнала ее датчика, а амплитудный детектор 4 запоминает выходное напряжение и(3) интегратора 3 и с помощью делителя напряжения, состоящего из резисторов 5 и 6, вырабатывает напряжение u_пор(13), которое является порогом включения элемента 13 (фиг.2).

Допустим, что в процессе работы устройства на выходе резисторного делителя выработалось пороговое напряжение u_пор2(13), эквивалентное порогу формирования импульсов S_пор2.

Если в последующем на вход устройства-прототипа поступит сигнал е_с3, вольт-секундная площадь S₃ отрицательной полуволны которого чуть-чуть превышает порог S_пор2, что вполне возможно, то на выходе порогового элемента 13 будет выработан весьма короткий импульс u₃(13).

На переднем и заднем фронтах этого короткого импульса будут запущены одновибраторы соответственно 19 и 18. Так как в данном случае длительность импульсов одновибраторов 19 и 18 значительно превышает длительность импульса u₃(13), то в течение времени _р будут одновременно действовать импульсы этих одновибраторов, открывающие ключи 8 и 17.

При этом произойдет разряд конденсатора С(4-3) амплитудного детектора 4 через открытые ключи 8 и 17 током I_р (фиг.2). Величина этого тока будет недопустимо большой, так как она определяется малым сопротивлением открытых ключей 8 и 17. Напряжение на конденсаторе С(4-3) и, следовательно, порог u_пор3(13) формирования требуемых импульсов снизятся практически до 0 В.

В рассматриваемом случае порогом формирования очередного импульса станет порог включения элемента 7 u_вкл(7), эквивалентный порогу S_пр.min, a конденсатор С(4-3) амплитудного детектора 4 при работе устройства на высокой частоте заданного диапазона не успеет зарядиться от 0 В до максимального значения напряжения на выходе интегратора 3, эквивалентного площади очередного импульса. Поэтому периоды повторения очередного сформированного импульса и следующего за ним импульса будут существенно отличаться от периодов следования соответствующих сигналов ее датчика, что равнозначно сбою в работе устройства-прототипа.

Во-вторых, в устройстве-прототипе используется сравнительно сложная схема подразряда конденсатора С(4-3) амплитудного детектора 4: она требует двух одновибраторов, двух ключей, конденсатора 20 и цикл ее работы состоит из двух тактов – такта подразяда конденсатора С(4-3) и такта разряда конденсатора 20.

В-третьих, в устройстве-прототипе длительность формируемых импульсов u(11) имеет переменную величину, минимальное значение которой равно 0 сек, что приводит к необходимости усложнения последующей схемы, принимающей такие импульсы.

Кроме того, индукционные датчики частоты вращения вырабатывают двухполярные сигналы, а в устройстве-прототипе формируются импульсы при наличии однополярных сигналов, то есть информация о наличии второй полуволны (противоположной полярности) не учитывается, что снижает достоверность (надежность) формируемых импульсов.

Вторым существенным недостатком рассматриваемого устройства является низкая помехоустойчивость, что вызвано следующим.

Во-первых, рассматриваемое устройство не имеет защиты от воздействия однополярных сигналов-помех, вольт-секундная площадь 8_пом которых превышает пороговые значения S_пр.min и S_пор1. Такие помехи, имея одинаковую полярность с исследуемыми полуволнами сигналов, приводят к формированию рассматриваемым устройством ложных импульсов.

Во-вторых, при формировании импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, инициируемых несколькими возбудителями (z2), в устройстве-прототипе не представляется возможным устанавливать величину порога S_пор1 формирования требуемых импульсов, близкую к вольт-секундной площади S_1к исследуемых полуволн сигналов.

Последнее утверждение объясняется следующим. Пусть площадь исследуемых полуволн сигналов имеет минимальное S_min и максимальное S_max значения, при этом максимальное отклонение вольт-секундной площади этих сигналов от ее номинального значения S_н составляет ±S (фиг.3).

Тогда при поступлении сигнала e_c1, площадь отрицательной полуволны которого имеет максимальную величину S_max, выработается пороговый уровень S_пор1 и для того, чтобы был сформирован требуемый импульс при последующем поступлении отрицательной полуволны сигнала е_c2, имеющей минимальную площадь S_min, необходимо выполнить условие S_пор1min. Но так как S_min=S_н–S, то получим: S_пор1н-S.

Отсюда следует, что чем больше отклонение S вольт-секундной площади от ее номинального значения S_н, тем ниже должен быть устанавливаемый порог формирования импульсов S_пор1.

Отклонение S вольт-секундной площади исследуемых полуволн сигналов от ее номинального значения S_н зависит от неточности установки зазора между возбудителями сигналов и индукционным датчиком частоты вращения, от разброса геометрических и магнитных параметров возбудителей и при числе возбудителей z2 может составлять значительную величину. Поэтому в рассматриваемом случае порог S_пор1 формирования импульсов в устройстве-прототипе должен устанавливаться значительно ниже площади S_1к исследуемых полуволн сигналов, что снижает помехоустойчивость этого устройства.

В-третьих, в устройстве-прототипе порог u_вкл(1) включения элемента 1 составляет всего несколько милливольт, что при наличии даже небольших низкочастотных помех может привести к неуправляемым переключениям этого элемента и в конечном счете к формированию ложных импульсов.

Третьим существенным недостатком устройства-прототипа является значительная погрешность в повторении формируемыми импульсами длительности периодов следования сигналов е_c индукционных датчиков частоты вращения, которая вызвана отклонениями S площади исследуемых полуволн сигналов от ее номинального значения S_н.

Такая погрешность обусловлена тем, что при наличии упомянутых отклонений S в рассматриваемом устройстве формируются импульсы, периоды Т_и следования которых не равны соответствующим периодам Т_c сигналов индукционных датчиков частоты вращения (фиг.4). Разность длительностей этих периодов зависит от величины S, причем максимальное значение периода Т_{и мах} имеет место, когда за сигналом с площадью S_max следует сигнал с площадью S_min, а минимальное значение периода Т_{и min} – когда за сигналом с площадью S_min следует сигнал с площадью S_max. При построении графиков фиг.4 и 7 принято значение S, при котором Q=5/8=0.625. Числа, указанные на графиках, представляют собой условные единицы времени.

Все перечисленные недостатки устройства-прототипа приводят к снижению надежности, помехоустойчивости и точности повторения формируемыми импульсами длительности периодов сигналов датчиков.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении надежности, помехоустойчивости и точности повторения формируемыми импульсами длительности периодов следования сигналов индукционных датчиков частоты вращения.

Для достижения указанного результата в формирователе импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, содержащем первый интегратор, амплитудный детектор, три пороговых элемента, три ключа, первый элемент И, два одновибратора и два резистора, причем вход формирователя соединен с входом первого интегратора и через первый пороговый элемент – с управляющим входом первого ключа, выходы которого соединены с входами первого интегратора, подключенными к выводам конденсатора этого интегратора, выход первого интегратора соединен через амплитудный детектор с входом второго порогового элемента, первым выходом второго ключа и через первый и второй резисторы – с общей шиной, выход второго одновибратора соединен с управляющим входом второго ключа, выход второго порогового элемента соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого подключен к выходу формирователя в отличие от прототипа:

1. Введены инвертирующий операционный усилитель, второй интегратор, однопороговый и двухпороговый элементы с памятью, третий резистор и второй элемент И, причем второй выход второго ключа соединен через третий резистор с общей шиной, вход формирователя соединен с входом третьего порогового элемента и через инвертирующий операционный усилитель и второй интегратор – с третьим входом двухпорогового элемента с памятью, первый вход которого подключен к выходу первого интегратора, второй вход – к общему выводу первого и второго резисторов, четвертый вход – к выходу второго одновибратора, а выход этого элемента – к первому входу первого элемента И, выход первого интегратора соединен с первым входом однопорогового элемента с памятью, второй вход которого подключен к выходу второго одновибратора, а выход этого элемента – к первому входу второго элемента И, второй вход которого подключен к выходу третьего порогового элемента, выход второго элемента И соединен с входом первого одновибратора и с управляющим входом третьего ключа, выходы которого соединены с входами второго интегратора, подключенными к выводам конденсатора этого интегратора, выход первого одновибратора соединен с входом второго одновибратора и с третьим входом первого элемента И.

2. Пороги включения первого и третьего пороговых элементов установлены равными 30-50% от минимального значения амплитуды соответственно первой и второй полуволн сигналов индукционного датчика частоты вращения.

3. Однопороговый элемент с памятью выполнен в виде порогового элемента и триггера, причем первый вход однопорогового элемента с памятью соединен через пороговый элемент с тактовым входом триггера, второй вход – с R-входом триггера, а выход – с выходом триггера, D-вход которого подключен к шине логической “1”.

4. Двухпороговый элемент с памятью выполнен в виде двух пороговых элементов, триггера и элемента ИЛИ, причем первый вход двухпорогового элемента с памятью соединен с первым входом первого порогового элемента, второй вход – с первым входом второго порогового элемента, третий вход – с вторыми входами первого и второго пороговых элементов, четвертый вход – с вторым входом элемента ИЛИ, а выход двухпорогового элемента с памятью – с выходом триггера, D-вход которого подключен к шине логической “1”, тактовый вход – к выходу второго порогового элемента, а R-вход – к выходу элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом первого порогового элемента.

В отличие от устройства-прототипа в предлагаемом формирователе импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения:

1. Упрощена схема подразряда конденсатора С(4-3) амплитудного детектора 4: она не требует применения дополнительных одновибратора, ключа и конденсатора. В этой схеме (фиг.5) вновь введенный резистор 9 совместно с ключом 8 образует цепь подразряда конденсатора С(4-3). При этом полностью исключается возможность возникновения больших токов разряда конденсатора С(4-3) и сбоя в работе предлагаемого устройства. В новой схеме подразряда конденсатора С(4-3) напряжение на этом конденсаторе (на выходе амплитудного детектора 4) снижается по экспоненте u(4)=u_max(4)·e^-t/(R·c) в течение интервала времени _и(19). Значение нового резистора 9 определяется по формуле:

R(9)=_и(19)/(С(4-3)·lnK)

2. Вновь введенная связь выхода одновибратора 18 с третьим входом элемента И 11 обеспечивает формирование требуемого импульса с постоянной длительностью _и(18).

3. Вырабатываются выходные импульсы только при поступлении на его вход двухполярных сигналов. Такое условие работы предлагаемого формирователя импульсов позволяет исключить выдачу ложных импульсов при поступлении на его вход одного или нескольких однополярных сигналов-помех, площадь которых превышает пороговые значения S_пр.min и S_пор1, а также повышает достоверность (надежность) формируемых импульсов.

4. Значение коэффициента передачи К₁₅=-(1+Q)/2 инвертирующего операционного усилителя 15 задано таким образом, чтобы площадь S₁₅ второй полуволны инвертированного сигнала u(15) была равной средней арифметической величине порогов S_пор1 и S_пор2=S_1к, то есть чтобы в конце процесса измерения номинальное значение площади S₁₅ находилось посредине между значениями порогов S_пор1 и S_пор2.

Для подтверждения отмеченного определим значение S₁₅.

;

Учитывая, что номинальные значения площадей первой S_1к и второй S_2k полуволн одного сигнала примерно равны, из последнего уравнения получаем:

.

В предлагаемом устройстве одним из основных условий формирования импульсов является нахождение площади S₁₅ в пределах полосы, ограниченной порогами S_пор1 и S_пор2. В этом устройстве исследуется каждый двухполярный сигнал, инициируемый любым из возбудителей, установленных на вращающемся роторе. Вольт-секундные площади полуволн такого сигнала примерно равны, а их отношение R=S_1к/S_2к близко к 1, не зависит от погрешности установки зазора между датчиком и возбудителем, характеристик самого возбудителя и остается постоянным в широком диапазоне частоты вращения.

Вследствие этого в предлагаемом устройстве возможна установка величины порога S_пор1 формирования требуемых импульсов, близкой к вольт-секундной площади S_1к первой полуволны сигнала. При этом полоса, ограниченная порогами S_пор1 и S_пор2, и допуск на изменение площади S₁₅, а с небольшой погрешностью можно считать и допуск на изменение площади S_2k второй полуволны сигнала, будут иметь весьма малое значение, что существенно повышает помехоустойчивость предлагаемого устройства.

5. Величины порогов включения элементов 1 и 13 устанавливаются равными 30-50% от минимального значения амплитуды исследуемых полуволн сигналов. Так, например, если необходимо формировать импульсы из сигналов в диапазоне скорости вращения от n_min=1000 до n_max=50000 об/мин и известно, что в таком диапазоне датчик вырабатывает сигналы с амплитудой 0,15-10 В [3], [4], то пороги включения элементов 1 и 13 целесообразно устанавливать равными 0,15 В·(0,3-0,5)=45-75 мВ 60 мВ (фиг.6).

При этом измеряемая площадь будет составлять не менее 80% всей площади исследуемых полуволн сигналов, что является вполне приемлемым, поскольку в предлагаемом устройстве основным критерием при формировании требуемых импульсов является не площадь полуволн сигналов, а разность площадей полуволн одного сигнала.

6. Наличие отклонений S площади исследуемых полуволн сигналов от ее номинального значения S_н не влияет на длительность периодов повторения формируемых импульсов, которая в данном случае равна длительности соответствующих периодов следования сигналов индукционных датчиков частоты вращения (фиг.7).

Таким образом, все отличительные признаки, приведенные в формуле предлагаемого формирователя 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 надежность, помехоустойчивость и точность повторения формируемыми импульсами длительности периодов следования сигналов индукционных датчиков частоты вращения.

В тексте описания и на фиг.1-8 приняты следующие обозначения и сокращения:

формирователь – формирователь импульсов – формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения;

датчик – индукционный датчик частоты вращения;

требуемый импульс – импульс, формируемый предлагаемым устройством из сигналов датчика;

e_c – сигнал датчика;

e_пом – сигнал помехи;

А, А_min, А_max – амплитуда исследуемых сигналов и ее минимальное и максимальное значения в диапазоне скорости вращения n_min-n_max;

S – площадь сигнала – вольт-секундная площадь исследуемой полуволны сигнала;

S₁, S₂, S_1к, S_2к – соответственно получаемые в процессе измерения величины вольт-секундных площадей первой и второй исследуемых полуволн сигналов и максимальные (конечные) значения этих площадей;

S_пор – площадь сигнала, равная порогу формирования импульса;

Q – коэффициент, определяющий часть площади S_1к, составляющую порог S_пор1=Q·S_1к, причем Q<1;

S₁₅ – площадь второй полуволны сигнала операционного усилителя 15;

S_пр.min – предельная минимальная допустимая величина площади сигнала;

S_н, S_min, S_max, S – соответственно номинальное, минимальное и максимальное значения площади сигнала, а также максимальное отклонение этой площади от ее номинального значения S_н;

обозначения типа u(1), u(3), u(18) – выходное напряжение соответственно порогового элемента 1, интегратора 3, одновибратора 18, причем u(3) эквивалентно площади сигнала S;

u_пор1(10), u_пор2(10) – напряжение, равное порогу соответственно включения и установки в исходное состояние двухпорогового элемента с памятью 10, причем u_пор1(10) эквивалентно S_пор1, a u_пор2(10) – S_1к;

u_вкл(1); u_вкл(7), u_вкл(12) и u_вкл(13) – напряжение, равное порогу включения соответственно элементов 1, 7, 12 и 13, причем u_вкл(7) и u_вкл(12) эквивалентны S_пр.min;

С(4-3) – конденсатор 3 амплитудного детектора 4 или его емкость;

_и(18) – длительность импульса одновибратора 18, она же длительность требуемого импульса;

_и(19) – длительность импульса одновибратора 19, равная времени подразряда конденсатора С(4-3) амплитудного детектора 4;

_р – время, в течение которого одновременно замкнуты ключи 8 и 17 устройства-прототипа;

I_p – ток, протекающий через одновременно замкнутые ключи 8 и 17;

Z – число возбудителей на роторе исследуемого объекта;

K₁₅ – коэффициент передачи усилителя 15, причем K₁₅=-(1+Q)/2;

К – коэффициент, определяющий, до какого уровня необходимо понизить напряжение на конденсаторе С(4-3) амплитудного детектора 4, чтобы можно было запомнить на этом конденсаторе новое значение напряжения, полученное в интеграторе 3, причем К<1;

ln К – натуральный логарифм коэффициента К.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1-8, на которых представлены:

фиг.1 – блок-схема устройства-прототипа;

фиг.2 – временные диаграммы работы устройства-прототипа;

фиг.3 – временные диаграммы, показывающие влияние S на S_пор1;

фиг.4 – временные диаграммы, показывающие влияние S на Т_и в устройстве-прототипе;

фиг.5 – блок-схема предлагаемого формирователя импульсов;

фиг.6 – графики зависимости амплитуды и площади сигналов датчика от скорости вращения ротора (площадь при u_вкл(1)=0,5A_min);

фиг.7 – временные диаграммы, показывающие независимость Т_и от S в предлагаемом устройстве;

фиг.8 – временные диаграммы работы предлагаемого формирователя.

В состав предлагаемого формирователя импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения входят (фиг.5) первый пороговый элемент 1, первый ключ 2, первый интегратор 3, состоящий из операционного усилителя 3-1, резистора 3-2 и конденсатора 3-3, амплитудный детектор 4, состоящий из операционного усилителя 4-1, диода 4-2 и конденсатора 4-3, первый 5 и второй 6 резисторы, второй пороговый элемент 7, второй ключ 8, третий резистор 9, двухпороговый элемент с памятью 10, первый элемент И 11, однопороговый элемент с памятью 12, третий пороговый элемент 13, второй элемент И 14, инвертирующий операционный усилитель 15, состоящий из операционного усилителя 15-1 и трех резисторов, второй интегратор 16, состоящий из операционного усилителя 16-1, резистора 16-2 и конденсатора 16-3, третий ключ 17, первый 18 и второй 19 одновибраторы, причем вход формирователя соединен с входом первого интегратора 3 и через первый пороговый элемент 1 – с управляющим входом первого ключа 2, выходы которого соединены с входами первого интегратора 3, подключенными к выводам конденсатора 3-3 этого интегратора, выход первого интегратора 3 соединен через амплитудный детектор 4 с входом второго порогового элемента 7, первым выходом второго ключа 8 и через первый 5 и второй 6 резисторы – с общей шиной, выход второго одновибратора 19 соединен с управляющим входом второго ключа 8, выход второго порогового элемента 7 соединен с вторым входом первого элемента И 11, выход которого подключен к выходу формирователя, второй выход ключа 8 подключен через третий резистор 9 к общей шине, вход формирователя соединен с входом третьего порогового элемента 13 и через инвертирующий операционный усилитель 15 и второй интегратор 16 – с третьим входом двухпорогового элемента с памятью 10, первый вход которого подключен к выходу первого интегратора 4, второй вход – к общему выводу первого 5 и второго 6 резисторов, четвертый вход – к выходу второго одновибратора 19, а выход этого элемента – к первому входу первого элемента И 11, выход первого интегратора 3 соединен с первым входом однопорогового элемента с памятью 12, второй вход которого подключен к выходу второго одновибратора 19, а выход этого элемента – к первому входу второго элемента И 14, второй вход которого подключен к выходу третьего порогового элемента 13, выход второго элемента И 14 соединен с входом первого одновибратора 18 и с управляющим входом третьего ключа 17, выходы которого соединены с входами второго интегратора 16, подключенными к выводам конденсатора 16-3 этого интегратора, выход первого одновибратора 18 соединен с входом второго одновибратора 19 и с третьим входом первого элемента И 11, при этом однопороговый элемент с памятью 12 выполнен в виде порогового элемента 12-1 и триггера 12-2, причем первый вход однопорогового элемента с памятью 12 соединен через пороговый элемент 12-1 с тактовым входом триггера 12-2, второй вход – с R-входом триггера 12-2, а выход – с выходом триггера 12-2, D-вход которого подключен к шине логической “1”, двухпороговый элемент с памятью 10 выполнен в виде пороговых элементов 10-1 и 10-2, триггера 10-3 и элемента ИЛИ 10-4, причем первый вход двухпорогового элемента с памятью 10 соединен с первым входом первого порогового элемента 10-1, второй вход – с первым входом второго порогового элемента 10-2, третий вход – с вторыми входами первого 10-1 и второго 10-2 пороговых элементов, четвертый вход – с вторым входом элемента ИЛИ 10-4, а выход двухпорогового элемента с памятью 10 – с выходом триггера 10-3, D-вход которого подключен к шине логической “1”, тактовый вход – к выходу второго порогового элемента 10-2, а R-вход – к выходу элемента ИЛИ 10-4, первый вход которого соединен с выходом первого порогового элемента 10-1.

Предлагаемый формирователь импульсов работает следующим образом. Входные сигналы, представляющие собой последовательность двухполярных сигналов датчика и сигналов помехи, поступают на входы пороговых элементов 1 и 13, интегратора 3 и инвертирующего операционного усилителя 15 (фиг.8).

Порог включения элемента 1 u_вкл(1) имеет отрицательное значение, а элемента 13 u_вкл(13) – положительное, поэтому при отсутствии входных сигналов на выходах этих элементов имеется низкий уровень напряжения. Установка пороговых элементов 1 и 13 в исходное состояние происходит при понижении напряжения на их входах до 0 В.

Напряжение низкого уровня с выхода элемента 1 поступает на управляющий вход ключа 2, а с выхода элемента 13 через элемент И 14 – на управляющий вход ключа 17. Оба ключа оказываются открытыми. При этом конденсаторы 3-3 и 16-3 интеграторов 3 и 16 разряжены и на их выходах поддерживается нулевой уровень напряжения.

С выхода однопорогового элемента с памятью 12, находящегося в исходном состоянии, на первый вход элемента И 14 подается низкий уровень напряжения и элемент И 14 до включения однопорогового элемента с памятью 12 блокирует прохождение положительного сигнала с выхода порогового элемента 13 на управляющий вход ключа 17, что обеспечивает защиту предлагаемого устройства от воздействия однополярных положительных сигналов-помех.

На запоминающем конденсаторе С(4-3) амплитудного детектора 4 хранится напряжение u_но(4), оставшееся после предыдущего подразряда этого конденсатора.

Пороговый элемент 7 находится во включенном состоянии при превышении выходным напряжением u(4) амплитудного детектора 4 порогового уровня u_вкл(7), эквивалентного площади S_пр.min. При этом с выхода порогового элемента 7 на второй вход элемента И 11 подается разрешающий сигнал.

При поступлении на вход предлагаемого устройства сигнала e_c1 и достижении отрицательной полуволной этого сигнала величины u_вкл(1) происходит включение элемента 1, на его выходе устанавливается высокий уровень напряжения u₁(1), ключ 2 размыкается и начинается интегрирование интегратором 3 отрицательной полуволны сигнала.

При достижении напряжением на конденсаторе 3-3 величины u_вкл(12) происходит включение элемента 12, на его выходе появляется напряжение высокого уровня, которое подается на первый вход элемента И 14, разрешая прохождение сигнала высокого уровня через элемент И 14.

Полученное в результате интегрирования напряжение u₁(3) запоминается на конденсаторе С(4-3) амплитудного детектора 4 как напряжение u₁(4).

В момент окончания отрицательной полуволны сигнала пороговый элемент 1 устанавливается в исходное состояние и напряжение низкого уровня с его выхода подается на управляющий вход ключа 2, который при этом замыкается и происходит разряд конденсатора 3-3.

Порог включения элемента 10 u_пор1(₁₀) определяется напряжением на его втором входе, поступающим с выхода амплитудного детектора 4 через делитель напряжения на резисторах 5 и 6, то есть определяется площадью полуволны входного сигнала датчика и коэффициентом деления делителя.

Инвертирующий операционный усилитель 15 имеет коэффициент передачи, равный К=-(1+Q)/2, вырабатываемый им сигнал u(15) поступает на вход второго интегратора 16.

Первый 18 и второй 19 одновибраторы запускаются по срезу выходного сигнала соответственно второго элемента И 14 и первого одновибратора 18.

При достижении положительной полуволной сигнала e_c1 величины u_вкл(13) происходит включение порогового элемента 13. Положительный сигнал с выхода этого элемента проходит через элемент И 14 и закрывает ключ 17. Начинается интегрирование интегратором 16 отрицательной полуволны сигнала u₁(15).

В момент достижения выходным сигналом u₁(16) интегратора 16 величины u_пор1-1(10) происходит включение двухпорогового элемента с памятью 10 и разрешающий сигнал с выхода этого элемента поступает на первый вход элемента И 11.

Если площадь S₂ второй полуволны незначительно отличается от площади S₁ первой полуволны сигнала, то напряжение u₁(16) на выходе второго интегратора 16 не достигнет порога u_пор2-1(10) выключения двухпорогового элемента с памятью 10 и он останется во включенном состоянии. В этом случае в момент окончания сигнала е_с1 пороговый элемент 13 установится в исходное состояние, на выходе элемента И 14 возникнет отрицательный перепад напряжения и произойдет запуск одновибратора 18. Выработанный этим одновибратором импульс u₁(18), имеющий положительную полярность и длительность _и(18), пройдет через первый элемент И на выход предлагаемого формирователя импульсов.

На срезе импульса первого одновибратора 18 произойдет запуск второго одновибратора 19, выходной импульс которого u₁(19) откроет ключ 8 и выполнится подразряд конденсатора С(4-3) через резистор 9. Одновременно этот импульс установит однопороговый 12 и двухпороговый 10 элементы с памятью в исходное состояние.

Если же площадь S₂ второй полуволны значительно превышает площадь первой полуволны сигнала, что может иметь место при поступлении на вход предлагаемого устройства сигнала-помехи, например, е_пом2 (фиг.8), то напряжение u₃(16) на выходе второго интегратора 16 достигнет величины u_пор2-3(10) и двухпороговый элемент с памятью 10 будет установлен в исходное состояние до окончания сигнала-помехи е_пом2. В этом случае с выхода элемента 10 на первый вход элемента И 11 будет подаваться запрещающий сигнал и импульс с выхода одновибратор 18 не будет пропущен через элемент И 11, то есть предлагаемым устройством не будет сформирован ложный импульс.

С приходом каждого нового двухполярного сигнала датчика происходит повторение цикла формирования импульса.

Предлагаемый формирователь импульсов не реагирует на сигналы-помехи е_пом1 (фиг.8), площадь отрицательных полуволн которых больше S_пр.min, а положительных полуволн – меньше S_пор1-2.

Так как в предлагаемом устройстве сравниваются вольт-секундные площади двух полуволн сигнала, инициируемых одним возбудителем и поэтому имеющих примерно одинаковые площади, то представляется возможность устанавливать порог S_пор1 формирования импульсов в широких пределах до 90% и более от площади S_1к полуволн сигналов датчика.

Если из-за каких-либо конструктивных особенностей системы ротор – возбудители – датчик величина площади второй полуволны значительно отличается от площади первой полуволны сигнала датчика, то подбором коэффициента передачи инвертирующего операционного усилителя 15 представляется возможным устранить влияние этого неравенства на работу предлагаемого устройства.

Следовательно, предлагаемый формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения существенно отличается от устройства-прототипа, в котором измеряются и сравниваются площади двух соседних одинаковых по полярности полуволн сигналов.

В предлагаемом устройстве анализу подлежит двухполярный сигнал и формируется требуемый импульс при условии, что этот сигнал соответствует следующим требованиям:

1. Сигнал должен быть двухполярным.

2. Площадь S_1к первой полуволны сигнала должна превышать S_пр.min.

3. Вторая полуволна сигнала должна иметь полярность, противоположную полярности первой полуволны.

4. Площадь S_2к второй полуволны сигнала с небольшой погрешностью должна быть равной площади первой полуволны сигнала.

Такие условия работы предлагаемого устройства обеспечивают высокую надежность, помехоустойчивость и точность повторения формируемыми импульсами длительности периодов следования сигналов датчиков частоты вращения.

В предлагаемом устройстве основным условием формирования требуемых импульсов является равенство с небольшой погрешностью площадей S₁ первой и S₂ второй полуволн сигнала, для чего необходимо последовательно измерять эти площади, а результат сравнения может быть получен только после окончания сигнала. Кроме того, в цикл формирования импульса входят выдача требуемого импульса и подготовка к запоминанию площади S_1к первой полуволны следующего сигнала – подразряд конденсатора С(4-3). Поэтому предлагаемый формирователь импульсов целесообразно использовать в тех случаях, когда между сигналами датчика имеются паузы, в течение которых могут быть выполнены выдача требуемого импульса и подготовка к запоминанию S_1к.

В противном случае к одновибраторам 18 и 19 должно быть предъявлено дополнительное требование: суммарная длительность вырабатываемых ими импульсов должна составлять только часть минимального значения длительности первой полуволны сигналов с тем, чтобы в течение второй части этой длительности амплитудный детектор 4 успевал запомнить напряжение u(3), эквивалентное измеренной площади S_1к.

Предлагаемый формирователь импульсов состоит из функциональных блоков, которые широко освещены в технической литературе. Так, например, описание принципа работы и расчет основных элементов интеграторов приведен в [5, стр.127]. На блок-схемах фиг.1 и 5 показан один из простых вариантов реализации амплитудного детектора 4. При необходимости возможно применение высококачественного амплитудного детектора, например, приведенного в [5, стр.234].

Интеграторы 3 и 16, амплитудный детектор 4 и инвертирующий операционный усилитель 15 могут быть выполнены на операционных усилителях, например, на микросхеме 1401УД2А, пороговые элементы 1, 7, 10-1, 10-2, 12-1 и 13 – на компараторах, например, 1401СА1 [6], ключи 2, 8 и 17 – на аналоговых ключах, например, 590КН9 или 590КН13 [7], а одновибраторы 18 и 19 – на микросхеме 564АГ1 КО.347.064ТУ32.

Возможны также варианты реализации предлагаемого формирователя импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения на микросхеме одного из базовых матричных кристаллов [8].

Совместно с устройством измерения частоты [9] этот формирователь может быть использован прежде всего в помехоустойчивых высокоточных модулях измерения частоты вращения, входящих в состав систем аварийной защиты энергонасыщенных объектов, таких, например, как жидкостные ракетные и авиационные газотурбинные двигатели [10].

Применение предлагаемого формирователя импульсов позволит повысить эффективность систем аварийной защиты исследуемых объектов и испытательных стендов, повысить качество отработки объектов, сократить ее сроки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авторское свидетельство СССР 1550611 А, Н03К 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 2, М.: Издательское предприятие журнала “Радиотехника”, 2000 г, стр.561, 616-618.

4. Преобразователь частоты вращения ОГ 018. Технические условия Вт2.780.018ТУ.

5. Л.Фолкенберри. Применение операционных усилителей и линейных ИС. Перев. с англ. М. Мир, 1985 г.

6. Интегральные микросхемы. Операционные усилители и компараторы. Справочник, том 12, изд. 2, Додэка-21в, 2002 г.

7. В.С.Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988 г., стр.290-291.

8. Р.Р.Абдулин, В.П.Щипанов. Разработка цифровых и аналого-цифровых микросхем с применением базовых матричных кристаллов. || Авиакосмическое приборостроение. 2002. 1.

9. Патент RU N2300112 С2, МПК G01R 23/10, опубл. 27.05.2007.

10. 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.

Формула изобретения

1. Формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения, содержащий первый интегратор, амплитудный детектор, три пороговых элемента, три ключа, первый элемент И, два одновибратора и два резистора, причем вход формирователя соединен с входом первого интегратора и через первый пороговый элемент – с управляющим входом первого ключа, выходы которого соединены с входами первого интегратора, подключенными к выводам конденсатора этого интегратора, выход первого интегратора соединен через амплитудный детектор с входом второго порогового элемента, первым выходом второго ключа и через первый и второй резисторы – с общей шиной, выход второго одновибратора соединен с управляющим входом второго ключа, выход второго порогового элемента соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого подключен к выходу формирователя, отличающийся тем, что в него введены инвертирующий операционный усилитель, второй интегратор, однопороговый и двухпороговый элементы с памятью, третий резистор и второй элемент И, причем второй выход второго ключа соединен через третий резистор с общей шиной, вход формирователя соединен с входом третьего порогового элемента и через инвертирующий операционный усилитель и второй интегратор – с третьим входом двухпорогового элемента с памятью, первый вход которого подключен к выходу первого интегратора, второй вход – к общему выводу первого и второго резисторов, четвертый вход – к выходу второго одновибратора, а выход этого элемента – к первому входу первого элемента И, выход первого интегратора соединен с первым входом однопорогового элемента с памятью, второй вход которого подключен к выходу второго одновибратора, а выход этого элемента – к первому входу второго элемента И, второй вход которого подключен к выходу третьего порогового элемента, выход второго элемента И соединен с входом первого одновибратора и с управляющим входом третьего ключа, выходы которого соединены с входами второго интегратора, подключенными к выводам конденсатора этого интегратора, выход первого одновибратора соединен с входом второго одновибратора и с третьим входом первого элемента И, при этом пороги включения первого и третьего пороговых элементов установлены равными 30-50% от минимального значения амплитуды соответственно первой и второй полуволн сигналов индукционных датчиков частоты вращения.

2. Формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения по п.1, отличающийся тем, что однопороговый элемент с памятью выполнен в виде порогового элемента и триггера, причем первый вход однопорогового элемента с памятью соединен через пороговый элемент с тактовым входом триггера, второй вход – с R-входом триггера, а выход – с выходом триггера, D-вход которого подключен к шине логической “1”.

3. Формирователь импульсов из сигналов индукционных датчиков частоты вращения по п.1, отличающийся тем, что двухпороговый элемент с памятью выполнен в виде двух пороговых элементов, триггера и элемента ИЛИ, причем первый вход двухпорогового элемента с памятью соединен с первым входом первого порогового элемента, второй вход – с первым входом второго порогового элемента, третий вход – с вторыми входами первого и второго пороговых элементов, четвертый вход – с вторым входом элемента ИЛИ, а выход двухпорогового элемента с памятью – с выходом триггера, D-вход которого подключен к шине логической “1”, тактовый вход – к выходу второго порогового элемента, а R-вход – к выходу элемента ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом первого порогового элемента.

РИСУНКИ