CZ289555B6 - Detektor otáčení - Google Patents

Abstract

Detektor ot en m rotor (R) se segmentov²mi ·seky (d0, d1, d2), s rozd ln²mi tlumic mi vlastnostmi, v jejich oblasti p soben jsou ulo eny m °ic senzor (MS) a referen n senzor (RS), kter v dy obsahuj oscila n obvod, jeho po ty kmit jsou po kr tk m nabuzen t ny. Z po tu kmit referen n ho senzoru (RS) jsou zji ov ny diskrimina n prahy, kter se pou vaj pro diskriminov n prahov ho po tu m °ic ho senzoru (MS), tak e t m je m °eno tlumen nebo vlastnost ·m rn tlumen oscila n ho obvodu, kter je ur en rotorov²m segmentem le c m v oblasti p soben m °ic ho senzoru (MS). Z asov ho sledu je tak ur ov na asov prom nliv poloha rotoru (R) a je generov n sign l pro po t n po tu p°eb h ·hlov²ch segment , jako i sign l sm ru.\

Description

Vynález se týká detektoru otáčení, obzvláště pro část přístroje na měření objemu, s rotorem, který obsahuje více úhlově rozdělených úseků s rozdílnými tlumicími vlastnostmi pro elektromagnetické kmitání, proti nimž je uloženo více senzorů, které jsou prvky odpovídajících oscilačních obvodů, přičemž při otáčení rotoru jsou kmity oscilačních obvodů tlumeny, přičemž výstupní signály oscilačních, obvodů jsou přiváděny do zapojení s diskriminátorem, který měří otáčky rotoru, jakož i popřípadě směr jeho otáčení.

Dosavadní stav techniky

Takové detektory se používají pro přístroje na měření objemu, kupříkladu pro měřiče studené nebo také teplé vody, jsou-li doplněny teplotním čidlem.

Z patentového spisu DE 39 23 398 Cl je znám detektor otáček s výše uvedenými znaky. Jeho kotoučovitý rotor má celkem dva úseky s odlišnými tlumicími vlastnostmi, které zaujímají vždy 180°. Proti rotoru leží vždy čtyři detektory, umístěné se vzájemnými odstupy 90°. Dva navzájem protilehlé detektory jsou vzájemně spojeny tak, že vydávají referenční signál.

Nedostatkem tohoto známého detektoru jsou zejména vysoké konstrukční náklady, vyplývající především z toho, že je zapotřebí čtyř detektorů. Bylo by sice možné bez podstatné újmy na přesnosti měření vypustit jeden z měřicích detektorů, ale i tak jsou stále zapotřebí detektory vytvořené jako oscilační cívky, které musí být podle dnešního stavu techniky vyrobeny na zakázku, aby měly potřebnou citlivost, takže každý detektor je poměrně drahý.

Při vycházení z tohoto stavu techniky si vynález klade za úkol vytvořit detektor otáčení s výše uvedenými znaky, který by mohl být bez újmy na kvalitě vyráběn znatelně levněji.

Podstata vynálezu

Uvedeného cíle je dosaženo detektorem otáčení, obzvláště pro část přístroje na měření objemu, s rotorem, který obsahuje více úhlově rozdělených úseků s rozdílnými tlumicími vlastnostmi pro elektromagnetické kmitání, proti nimž je uloženo více senzorů, které jsou prvky odpovídajících oscilačních obvodů, přičemž při otáčení rotoru jsou kmity oscilačních. obvodů tlumeny, přičemž výstupní signály oscilačních obvodů jsou přiváděny do zapojení s diskriminátorem, který měří otáčky rotoru, jakož i popřípadě směr jeho otáčení, přičemž podstata vynálezu spočívá v tom, že senzory jsou dva, z nichž jeden senzor, a to měřicí senzor, leží při otáčení proti oblasti rotoru, která má lichý počet nejméně tří úseků s rozdílnými tlumicími vlastnostmi, které se během otáčení rotoru postupně nacházejí v poloze proti měřicímu senzoru, a z nichž druhý senzor, a to referenční senzor, leží proti oblasti rotoru, jejíž tlumicí vlastnosti se při otáčení rotoru nemění, a přičemž referenční senzor vytváří signál pro vyrovnávání chyby.

Poněvadž proti referenčnímu senzoru leží úsek rotoru, jehož tlumicí vlastnosti se při otáčení rotoru nemění, vystačí se s jediným referenčním senzorem.

Skutečnost, že proti měřicímu senzoru leží lichý počet úseků rotoru s rozdílnými tlumicími vlastnostmi, má za následek, že výstupní signál oscilačního obvodu měřicího senzoru má nesymetrický průběh a je z něj možné s pomocí diskriminátorového zapojení měřit počet otáček rotoru, jakož i směr jeho otáčení.

-1 CZ 289555 B6

Zatímco se ve stavu techniky použijí celkem dva úseky rotoru s rozdílnými tlumicími vlastnostmi, je zapotřebí podle vynálezu nejméně tří těchto úseků, eventuálně také čtyř, pěti, atd., jak je níže ještě podrobněji vysvětleno. Toto zvětšení počtu úseků rotoru s rozdílnými tlumicími 5 vlastnostmi však nepřináší prakticky žádné přídavné náklady, protože může být dosaženo velmi jednoduchými opatřeními, která jsou dále ještě podrobněji popsána.

Při výhodném provedení vynálezu je rotor vytvořen jako kotouč. To má výhodu v tom, že rotor potřebuje málo místa.

Dále je výhodné, je-li měřicí senzor uložen co možná nejblíže rotoru. Tím je citlivost rotoru zvýšená.

Referenční senzor může být uložen proti ose otáčení rotoru. Při tomto provedení se vystačí 15 s lichým počtem úseků rotoru, majících odlišné tlumicí vlastnosti. Nejméně je nutné mít tři takové úseky. Referenční senzor bude při tomto uspořádání stejným způsobem ovlivňován všemi úseky s rozdílnými tlumicími vlastnostmi a vydává proto referenční signál. Při tomto uspořádání musí být referenční senzor přesně vystředěn a mezi oběma senzory je také poměrně velká vzdálenost, protože je výhodné, jak bylo uvedeno, je-li měřicí senzor uložen pokud možno blízko 20 obvodu.

Má-li se tomuto předejít, leží podle dalšího výhodného provedení vynálezu referenční senzor proti úseku rotoru, který má jiné tlumicí vlastnosti než ty úseky rotoru, které leží proti měřicímu senzoru. Tato oblast s do jisté míry neutrálními tlumicími vlastnostmi může potom zaujmout 25 určitou kotoučovitou plochu, takže referenční senzor může být uložen velmi blízko u měřicího senzoru. To s sebou přináší podstatnou výhodu v tom, že vnější rušivé vlivy, například podmíněné vnějšími magnetickými poli, vnějšími teplotními vlivy, působí prakticky stejně na oba senzory, takže se tyto vnější vlivy vzájemně eliminují.

Konstrukčně obzvláště jednoduché provedení kotoučovitého rotoru se vyznačuje tím, že rotor je vytvořen jako kotouč z plastu s kovovými povrstveními, která tvoří úseky s odlišnými tlumicími vlastnostmi. Tato kovová povrstvení se liší kupříkladu rozdílnou tloušťkou, kupříkladu napařených měděných vrstev, nebo také rozdílnými tvary, kupříkladu rozdílným počtem a/nebo velikostí kruhů.

Pokud je rotor vytvořen jako dutý válec, vyznačuje se obzvláště malou setrvačností, což je přirozeně výhodné, zejména má-li se měřit médium proudící s malou rychlostí.

Rotor ve tvaru kotouče může být rozdělen do více geometricky shodných segmentovitých úseků 40 s odlišnými tlumicími vlastnostmi, sahajících až ke středu kotouče rotoru, proti kterému leží referenční senzor, přičemž segmentovité úseky se během otáčení rotoru nacházejí postupně v poloze proti měřicímu senzoru, přičemž proti referenčnímu senzoru leží v každé poloze otáčení vzájemně stejně velké podíly všech segmentovitých úseků.

Bylo již uvedeno, že senzory jsou vytvořeny jako cívky. Mohou být použity bezjádrové cívky, tj. cívky bez ocelového jádra, nebo feritové cívky.

Bezjádrové cívky se používají z těch důvodů, že v protikladu k feritovým jádrům nebo dokonce feromagnetickým jádrům nedochází k žádnému nasycení jádrového materiálu, které může být 50 způsobeno vnějšími DC-magnetickými poli (=rušením). Jádro nacházející se ve stavu nasycení nemůže už přijímat další energii, zejména energii oscilačního obvodu senzoru. (Cívka senzoru s kondenzátorem, považovaná za oscilační obvod, nemůže potom už vykonávat žádné kmity, neboť zásobník energie (=cívka) nepřipouští žádnou změnu energie).

-2CZ 289555 B6

Vhodná feritová jádra s vysokou sílou pole nasycení se používají, aby se dosáhlo, cíleně vedení magnetického pole a zvýšení kvality cívky senzoru.

Přemagnetizační ztráty je možné udržovat vhodnou volbou materiálu feritového jádra pro odpovídající kmitočtové rozsahy. Spotřebuje se potom málo energie.

Feritové cívky mohou být použity s jádry hřibového tvaru (např. obzvláště pro rotor pohárkového tvaru. Pohárkový tvar jako půlskořepinový tvar náleží do stavu techniky u magnetických senzorů přiblížení.

Výhody bezjádrových cívek spočívají vtom, že statická magnetická pole nevedou kžádným jevům nasycení magnetické energie v cívce. Oscilační obvod senzoru může bez překážek kmitat. Výhody cívek s feritovými jádry spočívají v tom, že zajišťují dobré vedení pole, zesilování a svazkování k tlumenému úseku rotoru a zvýšení kvality cívky a tím i oscilačního obvodu.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popisu na příkladech provedení s odvoláním na připojené výkresy, na kterých znázorňuje obr. Ia schematický pohled na podstatné prvky detektoru podle vynálezu, přičemž rotor má tři úseky s rozdílným tlumením, obr. lb pohled odpovídající obr. Ia, přičemž detektor má čtyři úseky s rozdílným tlumením, obr. lc čelní pohled a boční pohled na vždy obměněné provedení, přičemž rotor je vytvořen jako dutý válec a cívky jsou cívky s feritovými jádry, obr. Id schéma pro znázornění průběhu tlumení v závislosti na čase a na úhlu otáčení o plné otočení při signálu získaném uspořádáním podle obr. Ia, obr. le schéma dalšího provedení detektoru, obr. 2 schéma zapojení pro oscilační obvody obou senzorů, obr. 3a blokové schéma zapojení, obr. 3b stavový diagram, obr. 4 blokové schéma zapojení pro vyhodnocovací elektroniku.

Příklady provedení vynálezu

Možná konstrukce senzorového zařízení je znázorněna schematicky na obr. Ia. Detektor otáček sestává z plochého rotorového kotouče R s lichým počtem tří nebo více rotorových úseků dO, dl. d2 s rozdílnými elektromagnetickými vlastnostmi ve tvaru segmentů, měřicího senzoru MS, který je uložen na obvodě rotoru a referenčního senzoru RS. který je uložen nad středem rotoru. Dosah měřicího senzoru se omezuje v podstatě na jeden segment rotoru. Dosah referenčního senzoru zahrnuje všechny segmenty rotoru se stejnými podíly.

V typickém případě se jako senzory použijí cívky, v jejichž magnetickém obvodu se nachází také rotor. Jednotlivé segmenty rotoru mají schopnost odnímat cívce senzoru energii spřažením magnetických polí. Například mohou být segmenty rotoru kašírovány měděnou fólií rozdílné tloušťky. Druhou možností je umístění zkratovacích prstenců s různým počtem nebo s odlišnými průměry na každý segment rotoru. Aby se ušetřily náklady, použije se několik segmentů (segmentovitých úseků s rozdílnými tlumicími vlastnostmi) k=3. Dále je sledován tento příklad, aniž by tím byla omezena obecnost.

Další možné uspořádání senzorového zařízení je znázorněno na obr. lb. Je možné připravit (k+l)-tý úsek rotoru, který se vyznačuje středním tlumením ostatních k úseků rotoru. To je střední úsek dm.

Obr. Ie ukazuje rotor v pohárkové formě s oblastí 12 z tlumívého materiálu. V rotoru je uložen měřicí segment 13 hřibovitého tvaru. Rovněž jsou naznačeny siločáry. V rotoru je rovněž znázorněn referenční senzor 14 vedle měřicího senzoru, a to na ose otáčení 1_5.

Senzory jsou vždy částí oscilačního obvodu, který je krátce nabuzován a potom vykonává volné tlumené kmity. Odeznění elektrických kmitů je závislé na tlumení různých segmentů rotoru. Obr. Id ukazuje v závislosti na nastavení úhlu rotoru tlumení d nebo vlastnost Q oscilačního obvodu úměrnou tlumení.

Měřicí senzor vytváří v závislosti na poloze rotoru fí (phi) periodický průběh tlumení s periodou 2π. Po přechodové fázi ze segmentovitého úseku rotoru na příští segmentovitý úsek je tlumení konstantní, když se segmentovitý úsek rotoru pohybuje okolo měřicího senzoru.

Průběh referenčního signálu je v rozsáhlé míře nezávislý na poloze rotoru. Mění se pouze 15 s výchylkou elektromagnetických vlastností celého senzorového uspořádání a může být proto využitkován jako signál pro vyrovnávání chyby pro měřicí senzor. Je tak možné kompenzovat teplotní výchylky (například systémově podmíněné u přístrojů na měření objemu) a vnější magnetická pole. Bude také dosaženo potlačení rušení pro kvazistatická magnetická pole, když časová výchylka magnetického pole dodrží v následujícím úseku popisovanou snímací podmín20 ku.

Oba oscilační obvody senzoru se krátce po sobě během doby tp nabuzují v odstupu tl a kmity se vyhodnocují přes měřicí okénko z tměr. Senzorové zařízení tak může být považováno za snímací systém.

Kvantování signálu senzoru oběma čítači vede k digitální reprezentaci signálu senzoru (tj. kvality nebo tlumení). Se senzorovým zařízením tak může být zacházeno jako s analogověčíslicovým převodníkem s čítáním.

Měřicí senzor je provozován se snímací rychlostí 1/Ta. Jelikož bude také referenční senzor provozován s touto rychlostí snímání, aby se vyhodnocování měřicího signálu stále přizpůsobovalo signálu referenčního senzoru, je možné také udat maximální možný počet otáček při k segmentech rotoru při dodržení Shannonovy snímací podmínky a zohlednění přesahového součinitele snímání ii:

n = 1/2 (2 Ta.k.ů), kde

Ta>tměr + tl +tp.

Obr. 2 ukazuje schéma elektrického zapojení možného senzorového zařízení. Pro buzení oscilačního obvodu je spínač Sl uzavřen (sepnut) na dobu tp. Spínač S2 stejného senzoru je otevřen, spínač nebuzeného senzoru je uzavřen, aby se zabránilo elektromagnetické vazbě obou senzorů.

Obr. 4 znázorňuje blokové schéma zpracovávacího procesu signálu senzoru. Řízení zpracovávacího procesu signálu senzoru je přebíráno řídicí jednotkou. Signály senzoru jsou přiváděny do analogového demultiplexoru, který vede na hardwarově realizovaný práh (shysterezí) vždy propojený signál senzoru: je prováděno tvrdé rozhodování. Takto získaný prahový výstupní signál představuje časový sled překračování prahu kmitání oscilačního obvodu senzoru a je proto 50 úměrný momentální kvalitě Q oscilačního obvodu senzoru nebo tlumení d. Počet N překročení prahu se podle toho, je-li aktivní referenční nebo měřicí senzor, počítá referenčním čítačem nebo čítačem senzoru pro každý jednotlivý kmit senzoru. Spínací síť pro generování prahů generuje k1 prahů, s nimiž je srovnáván příští stav čítače senzoru (měkké rozhodování), neboť tyto prahové

-4CZ 289555 B6 hodnoty jsou meziukládány vk-1 zdržích. Výchozí signály K[l] aK[k-l] jsou zpracovávány v ústrojí pro rozeznávání otáčení a směru. To poskytuje dva časově proměnlivé digitální výstupní signály, které mohou být interpretovány jako směr a impulz otáčení 1/k.

Obr. 3a ukazuje podrobné blokové schéma zapojení ústrojí pro rozeznávání otáčení a směru pro k=3 rozdílné rotorové segmenty. Sestává ze sekvenčního obvodu (fmite statě machine, FSN) a Dklopného obvodu.

Stavový diagram sekvenčního obvodu je znázorněn na obr. 3b. Sekvenční obvod je modelován 10 jako konečný Mealyho automat. Jednotlivé stavy vyplývají z průběhu tlumení znázorněného na obr. Ia a ld při k=3 rotorových segmentech. Stav S4 je redundantní a bude použit jako chybový stav. Generovaný chybový signál může být uložen do paměti a sledován. Přechodová funkce z chybového stavu S4 není udávána, neboť může být spouštěna různým způsobem (např. asynchronní zpětný přestavovací signál, synchronně přechodovou funkcí do dovoleného stavu). 15 Sekvenční obvod může být vytvořen jako spínací sekvenční obvod s minimálně dvěma ukládacími složkami (klopnými obvody), přičemž další D-klopný obvod je potřebný pro rozpoznávání směru.

Impulzy otáčení 1/k a signál udávání směru mohou být v zařízení pro měření obvodu dále 20 zpracovávány.

Je tak zřejmé, že jádro vynálezu, ve srovnání s výše uvedeným stavem techniky, dovoluje snížení počtu senzorů na dva a také zvětšení počtu tlumicích segmentů s odlišnými elektromagnetickými vlastnostmi, a vynález tak umožňuje provádět detekci otáčení a směru s minimálními náklady.

Konstrukční nákladová funkce zaujímá absolutní minimum při počtu 2 senzorů a 3 rozdílných segmentů rotoru.

To umožňuje, při nezměněné technologii, vyšší rychlost snímání rotorového kotouče a tím 30 i detekci vyšších počtů otáček. Při daném maximálním počtu otáček je možné vzhledem k daným senzorovým systémům se třemi, čtyřmi nebo více senzory ušetřit energii, neboť na časovou jednotku musí být prováděn menší počet snímání senzory. Detektor otáčení je proto obzvláště vhodný pro senzorové systémy poháněné baterií.

Rozdělení úhlu může být v určitých hranicích, které závisí na geometrii měřicího senzoru, měněno počtem k různých úseků s rozdílnými tlumicími vlastnostmi ve formě úhlových segmentů.

Konstrukce znázorněného senzorového zařízení je efektivně proveditelná teprve při použití 40 analyzního postupu s počítačovou podporou. Optimalizace systémových parametrů senzorů není nebo je jen velmi obtížně proveditelná analyticky. Algebraické modely senzoriky mohou ale poskytnout libovolně přesná numerická řešení optimalizace senzorového systému, nebo poskytnout při daném senzorovém systému optimální systémové parametry.

Claims (15)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Detektor otáčení, obzvláště pro část přístroje na měření objemu, s rotorem, který obsahuje více úhlově rozdělených úseků s rozdílnými tlumicími vlastnostmi pro elektromagnetické kmitání, proti nimž je uloženo více senzorů, které jsou prvky odpovídajících oscilačních obvodů, přičemž při otáčení rotoru jsou kmity oscilačních obvodů tlumeny, přičemž výstupní signály

   10 oscilačních obvodů jsou přiváděny do zapojení s diskriminátorem, které měří otáčky rotoru, jakož i popřípadě směr jeho otáčení, vyznačený tím, že senzory (MS, RS) jsou dva, z nichž jeden senzor, a to měřicí senzor (MS), leží při otáčení proti oblasti rotoru (R), která má lichý počet nejméně tří úseků (dO, dl, d2) s rozdílnými tlumicími vlastnostmi, které se během otáčení rotoru (R) postupně nacházejí v poloze proti měřicímu senzoru (MS), a z nichž druhý 15 senzor, a to referenční senzor (RS), leží proti oblasti rotoru (R), jejíž tlumicí vlastnosti se při otáčení rotoru (R) nemění, a přičemž referenční senzor (RS) vytváří signál pro vyrovnávání chyby.
2. 2. Detektor otáčení podle nároku 1, vyznačený tím, že rotor (R) je vytvořen jako 20 kotouč.
3. 3. Detektor otáčení podle nároku 1 nebo 2, vyznačený tím, že měřicí senzor (MS) je uložen co možná nejblíže k obvodu rotoru (R).

   25
4. 4. Detektor otáčení podle kteréhokoli z nároků laž3, vyznačený tím, že referenční senzor (RS) je uložen proti ose otáčení rotoru (R).
5. 5. Detektor otáčení podle kteréhokoli z nároků laž4, vyznačený tím, že referenční senzor (RS) leží proti úseku (dm) rotoru (R), který má jiné tlumicí vlastnosti než ty úseky (dO,

   30 dl, d2) rotoru (R), které leží proti měřicímu senzoru (MS).
6. 6. Detektor otáčení podle nároku 5, vyznačený tím, že úsek (dm) rotoru (R), proti kterému leží referenční senzor (RS), má tlumicí vlastnost odpovídající průměru tlumicích vlastností úseků, ležících proti měřicímu senzoru (MS).
7. 7. Detektor otáčení podle kteréhokoli z nároků laž6, vyznačený tím, že referenční senzor (RS) a měřicí senzor (MS) leží co možná nejblíže vedle sebe.
8. 8. Detektor otáčení podle kteréhokoli z nároků laž7, vyznačený tím, že rotor (R) je 40 vytvořen jako kotouč z plastu s kovovými povrstveními, která tvoří úseky (dO, dl, d2) rotoru (R) s odlišnými tlumicími vlastnostmi.
9. 9. Detektor otáčení podle nároku 8, vyznačený tím, že kovová povrstvení mají v úsecích (dO, dl, d2) s odlišnými tlumicími vlastnostmi rozdílnou tloušťku.
10. 10. Detektor otáčení podle nároku 8 nebo 9, vyznačený tím, že kovová povrstvení mají v úsecích (dO, dl, d2) s odlišnými tlumicími vlastnostmi rozdílné tvary, rozdílné elektrické vodivosti a/nebo magnetické vodivosti.

    50
11. 11. Detektor otáčení podle kteréhokoli z nároků laž7, vyznačený tím, že rotor (R) je vytvořen jako dutý válec nebo jako pohárek.

    -6CZ 289555 B6
12. 12. Detektor otáčení podle nároku 11, vyznačený tím, že senzory (RS, MS) jsou umístěny od sebe s axiálním odstupem.
13. 13. Detektor otáčení podle kteréhokoli z nároků 1, 2, 4, 8 nebo 9, vyznačený tím, že rotor (R) ve tvaru kotouče je rozdělen do více geometricky shodných segmentovitých úseků (dO, dl, d2) s odlišnými tlumicími vlastnostmi, sahajících až ke středu kotouče rotoru (R), proti kterému leží referenční senzor (RS), přičemž segmentovité úseky (dO, dl, d2) se během otáčení rotoru nacházejí postupně v poloze proti měřicímu senzoru (MS), přičemž proti referenčnímu senzoru (RS) leží v každé poloze otáčení vzájemně stejně velké podíly všech segmentovitých úseků (dO, dl, d2).
14. 14. Detektor otáčení podle kteréhokoli z nároků lažl3, vyznačený tím, že senzory (RS, MS) jsou vytvořeny jako bezjádrové cívky.
15. 15. Detektor otáčení podle kteréhokoli z nároků lažl3, vyznačený tím, že senzory (RS, MS) jsou vytvořeny jako cívky s feritovými jádry.