PL169386B1 - Sposób i układ do cyfrowego pomiaru odchyleń chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej w funkcji kąta obrotu wału - Google Patents

Abstract

2. Układ do cyfrowego pomiaru odchyleń chwilowej prędkości kątowej od wartościśredniej w funkcji kąta obrotu wału, zawierający generator wzorcowy 1 połączone z nim dwa tory równoległe, z których jeden tor jest połączony bezpośrednio, a drugi przez inwerter, znamienny tym, że wyjście przetwornika obrotowo-impulsowego (IE) jest połączone z wejściem dzielnika częstotliwości (DF), którego wejście wyboru podziału połączone jest poprzez układ sprzęgający (US) z magistralą danych mikrokomputera (PC), natomiast wyjście dzielnika częstotliwości (DF) połączone jest z wejściem bramkującym licznika pierwszego (L1) bezpośrednio oraz z wejściem bramkującym licznika drugiego (L2) poprzez inwerter (IN), z kolei do wejść zegarowych obu liczników (L1, L2) połączone jest wyjście generatora wzorcowego (G), ponadto do magistrali mikrokomputera (PC) dołączone są, poprzez układ sprzęgający (US), wyjścia liczników pierwszego (L1) i drugiego (L2), wyjścia przepełnienia liczników pierwszego (L1) 1 drugiego (L2), wyjście dzielnika częstotliwości (DF) 1 wyjście odniesienia przetwornika obrotowo-impulsowego (IE)

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do cyfrowego pomiaru odchyleń chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej w funkcji kąta obrotu wału. Wynalazek stosuje się w metrologii elektrycznej do oceny konstrukcji lub stopnia zużycia układów napędowych.

Znane dotychczas sposoby pomiaru odchyleń chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej opierają się na pomiarze prędkości obrotowej za pomocą prądnicy tachometrycznej. Zastosowanie prądnicy tachometrycznej nie zapewnia jednak wystarczającej dokładności pomiaru. Wynika to m.in. z wpływu histerezy magnetycznej i prądów wirowych w obwodzie magnetycznym prądnicy. W przypadku prądnic tachometrycznych prądu stałego na napięcie rotacji nakładają się wyższe harmoniczne napięcia z komutatora, przepięcia komutacyjne i pulsacje od niestabilnego styku szczotek i komutatora. Natomiast napięcie wyjściowe prądnic synchronicznych nie odwzorowuje bezpośrednio prędkości chwilowej i wymaga użycia układów prostowniczych lub detektora obwiedni, pogarszając właściwości metrologiczne. W prądnicach synchronicznych wielofazowych z wielofazowym sumowaniem napięć wyjściowych trudno uzyskać symetrię układu.

Cyfrowe sposoby pomiaru odchyleń chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej opierają się na wykorzystaniu przetwornika obrotowo-impulsowego. Najczęściej jest w nich wykorzystywany czujnik fotoelektryczny umieszczony na wale maszyny. Podczas obrotu wału strumień światła jest przerywany z częstotliwością proporcjonalną do chwilowej prędkości obrotowej. Powstały sygnał jest wzmacniany i uformowany w impulsy prostokątne w funkcji czasu. Impulsy te są podawane na wejście układu do pomiaru częstotliwości, w którym ulegają dalszemu przetworzeniu. Składowa stała sygnału otrzymanego na wyjściu tego układu jest proporcjonalna do wielkości odchylenia chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej. Na oscylografie można otrzymać bezpośredni wykres odchylenia.

Znane jest z opisu patentowego polskiego nr 74267 urządzenie do pomiaru prędkości kątowej w stanach nieustalonych, zawierające przetwornik prędkości kątowej, do którego dołączony jest przerzutnik Schmitta połączony z przerzutnikiem bistabilnym, którego wyjścia połączone są z bramką logiczną, jedno bezpośrednio, a drugie poprzez przerzutnik monostabilny. Wyjście bramki logicznej połączne jest z przetwornikiem szerokości impulsu na amplitudę i rejestratorem. Rejestruje ono tylko niewielkie odchylenia prędkości kątowej.

Znany jest również z opisu patentowego polskiego nr 124122 układ do pomiaru wielkości zmian parametrów, zwłaszcza wahań prędkości obrotowej, zawierający czujnik parametru mierzonego, połączony poprzez człon formujący z jednym wejściem wzmacniacza różnicowego, którego drugie wejście jest połączone z członem poziomu odniesienia. Wyjście wzmacniacza jest równolegle sprzęgnięte z członem wyjścia analogowego, detektorem znaku oraz detektorem wartości międzyszczytowych, do którego wyjścia jest przyłączony przetwornik analogowo-cyfrowy, poprzez komutator, a do wyjścia detektora znaku jest przyłączony poprzez człon warunkowy, człon sterowania, posiadający sprzężenie z detektorem wartości międzyszczytowych, komutatorem, przetwornikiem analogowo-cyfrowym oraz członem odniesienia. Zastosowanie tego układu jest ograniczone tylko do pomiaru maksymalnej od ustalonego poziomu oraz maksymalnej odchyłki od średniej wartości w określonym przedziale czasu.

Znany jest również z opisu patentowego USA nr 4.792.754 układ do tworzenia sygnału tachometrycznego o nieograniczonej rozdzielczości i bez tętnień, który jest zasilany sygnałem pochodzącym z indukcyjnego czujnika położenia. Układ ten składa się z dwóch torów pomiarowych, zasilanych jeden bezpośrednio a drugi przez inwerter z układów wytwarzających sygnał pomiarowy, związany z obrotem wału i sygnałem odniesienia. W każdym torze równoległym jest włączony kaskadowo cyfrowy komparator fazy, dekoder powrotu do zera, filtr dolnoprzepustowy oraz wspólny przerzutnik RS. Każdy z tych torów połączony jest poprzez klucz elektroniczny z

169 386 układem różniczkująco-inicjująco-pamiętajjącym, sterowanym przez dekoder przejścia, zasilany pizez przerzutnik RS. Z układu różniczkująco-inicjująco-pamiętającego zasilany jest korektor i jego układ kontrolny, sterujący układem wytwarzającym sinusoidalne sygnały zasilające.

Źródłem impulsów proporcjonalnych do prędkości obrotowej jest indukcyjny czujnik położenia zasilany sinusoidalnym sygnałem, którego kąt fazowy jest proporcjonalny do obrotów czujnika. Częstotliwość sygnału proporcjonalnego do prędkości obrotowej jest zbliżona do częstotliwości sygnału generatora wzorcowego. Pomiar prędkości następuje przez przetworzenie przesunięcia między odpowiednimi zboczami tych sygnałów w torach pomiarowych w taki sposób, że na wyjściu układu uzyskuje się sygnał analogowy o poziomie zależnym od chwilowej prędkości mierzonej.

Sposób, według wynalazku, cyfrowego pomiaru odchyleń chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej w funkcji kąta obrotu wału, wykorzystujący impulsy zależne od prędkości kątowej wału i porównanie ich z impulsami wzorcowymi, charakteryzuje się tym, że zlicza się impulsy wzorcowe wysyłane z generatora wzorcowego, w sposób ciągły, od momentu otrzymania sygnału odniesienia z przetwornika obrotowo-impulsowego, w dwóch licznikach, pracujących naprzemiennie każdy przez czas trwania impulsu bramkującego zależnego od prędkości kątowej wału. W czasie wykonywania serii L pomiarów impulsów wzorcowych, zapisuje się w pamięci mikrokomputera ciąg liczb Ni, N2,..., N_L określających ilość impulsów, po czym oblicza się przy pomocy mikrokomputera, przy P pomiarach na jeden obrót i M zmierzonych obrotach, dla położeniu wału i · 2π/Ρ rad, względnie całkowite odchylenia chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej kc, zgodnie z zależnością:

M-P

gdzie j - jest wskaźnikiem sumowania, N, - liczbą impulsów zliczonych w i-tym rozpatrywanym pomiarze.

Określa się również, przy pomocy mikrokomputera, względne odchylenia chwilowej prędkości kątowej przy jednym obrocie, związane ze zmianami prędkości o okresie równym okresowi obrotu ko,, zgodnie z zależnością:

Określa się także, przy pomocy mikrokomputera, względne wieloobrotowe odchylenia chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej, związane ze zmianami prędkości niezależnymi od okresu obrotu wału k_w„ zgodnie z zależnością:

M-P

Μ · Σ N; j=i-P+l

Układ, według wynalazku, do cyfrowego pomiaru odchyleń chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej w funkcji kąta obrotu wału, zawierający generator wzorcowy i połączone z nim dwa tory równoległe, z których jeden tor jest połączony bezpośrednio, a drugi przez inwerter, charakteryzuje się tym, że wyjście przetwornika obrotowo-impulsowego jest połączone z wejściem dzielnika częstotliwości, którego wejście wyboru podziału połączone jest, poprzez układ sprzęgający z magistralą danych mikrokomputera. Wyjście dzielnika częstotliwości połączone jest z

169 386 wejściem bramkującym licznika pierwszego bezpośrednio oraz z wejściem bramkującym licznika drugiego poprzez inwerter, z kolei do wejść zegarowych obu liczników połączone jest wyjście generatora wzorcowego. Do magistrali mikrokomputera dołączone są, poprzez układ sprzęgający, wyjścia liczników pierwszego i drugiego, wyjścia przepełnienia liczników pierwszego i drugiego, wyjście dzielnika częstotliwości i wyjście odniesienia przetwornika obrotowo-impulsowego.

Zaletą rozwiązania, według wynalazku, jest wykonywanie pomiaru z dość dużą dokładnością, ograniczoną dokładnością przetwornika obrotowo-impulsowego. Sposób, według wynalazku, uzależnia wynik tylko od liczby zliczonych impulsów w poszczególnych pomiarach oraz pozwala oddzielić odchylenia związane i nie związane z okresem obrotu wału badanej maszyny, co umożliwia dokonywanie analizy przyczyn powstania odchylenia. Liczba pomiarów w czasie jednego obrotu wału zależy od prędkości obrotowej, przy małych prędkościach może wynosić kilka tysięcy i jest ograniczona zastosowanym przetwornikiem obrotowo-impulsowym. Układ sterowany jest przez mikrokomputer, wyniki mogą być przedstawione w postaci tabeli lub wykresu.

Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania pokazanym na rysunku, przedstawiającym schemat blokowy układu do cyfrowego pomiaru odchyleń chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej w funkcji kąta obrotu wału.

Sposób, według wynalazku, polega na tym, że zliczanie impulsów wzorcowych wysyłanych z generatora wzorcowego G odbywa się w sposób ciągły, od momentu otrzymania sygnału odniesienia z przetwornika obrotowo-impulsowego IE, w dwóch licznikach L1, L2, pracujących naprzemiennie, każdy przez czas trwania impulsu bramkującego o długości zależnej od prędkości kątowej wału. Pozwala to w czasie wykonywania serii L pomiarów impulsów na zapisanie w pamięci mikrokomputera PC ciągu liczb Ni, N2,..., Nl określających ilość impulsów i umożliwiających określenie przy P pomiarach na jeden obrót i M zmierzonych obrotach, dla położeniu wału i · 2n/P rad, względnego całkowitego odchylenia chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej koi z zależności:

M-P Σ Nj = —izl--1

Μ · P · Nj gdzie j - jest wskaźnikiem sumowania, N, - liczbą impulsów zliczonych w i-tym rozpatrywanym pomiarze.

Dla potrzeb analizy przyczyn powstawania odchylenia chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej ko, korzystnie rozbić ją na dwie wartości tj. na względne odchylenie chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej przy jednym obrocie wału koi oraz na względne wieloobrotowe odchylenie chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej kwi.

Względne odchylenie chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej przy jednym obrocie koi, związane ze zmianami prędkości o okresie równym okresowi obrotu wału maszyny, dla położenia wału i · 27t/P rad określa się, przyjmując jako prędkość chwilową - średnią prędkość przy obrocie o kąt 2tr/P rad, natomiast jako prędkość średnią - średnią prędkość przy obrocie o 2π rad, ze wzoru:

N;

^oi j — ι*“Ά l x

P · Nj

Względne wieloohrotowe odchylenie chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej kwi, związane ze zmianami prędkości niezależnymi od okresu obrotu wału maszyny, dla położenia wału i · 2n/P rad określa się, przyjmując jako prędkość chwilową - średnią prędkość przy obrocie o

169 336

2π rad, natomiast jako prędkość średnią - średnią prędkość w czasie całego cyklu pomiarowego, ze wzoru:

M-P

-w, j

Μ · Σ Nj j=i-P+l

Układ, według wynalazku, przedstawiony na rysunku, zawiera przetwornik obrotowoimpulsowy IE, którego wyjście jest połączone z wejściem dzielnika częstotliwości DF, w którym wejście wyboru podziału połączone jest, poprzez układ sprzęgający US, z magistralą danych mikrokomputera PC. Wyjście dzielnika częstotliwości DF połączone jest z wejściem bramkującym licznika pierwszego L1 bezpośrednio oraz z wejściem bramkującym licznika drugiego L2, poprzez inwerter IN, do wejść zegarowych obu liczników L1, L2 połączone jest wyjście generatora wzorcowego G. Do magistrali mikrokomputera PC dołączone są, poprzez układ sprzęgający US, wyjścia liczników pierwszego L1 i drugiego L2, wyjścia przepełnienia liczników pierwszego L1 i drugiego L2, wyjście dzielnika częstotliwości DF i wyjście odniesienia przetwornika obrotowo-impulsowego IE.

Sposób, według wynalazku, realizuje się w omawianym układzie tak, że impulsy wyjściowe, zależne od prędkości obrotowej wału, z przetwornika obrotowo-impulsowego IE wchodzą na wejście dzielnika DF. Podział dzielnika DF jest wybierany w zależności od prędkości obrotowej sygnałem z mikrokomputera PC wchodzącym na wejście wyboru podziału poprzez układ sprzęgający US. Impulsy wyjściowe z dzielnika DF bramkują impulsy pochodzące z generatora wzorcowego G zliczane w liczniku L1 lub L2. Sygnał bramkujący licznik L2 jest zanegowanym, przez inwerter IN, sygnałem wyjściowym dzielnika częstotliwości DF. Po ujawnieniu jego zmiany, w czasie gdy jeden licznik zlicza impulsy, zawartość drugiego jest zapisywana w pamięci mikrokomputera PC. Zapewnia to ciągłość pomiarów. Proces ten jest powtarzany L razy. Po zakończeniu serii L pomiarów w pamięci mikrokomputera PC znajduje się ciąg liczb N1, N 2,..., Nl związanych z prędkością kątową zależnością:

gdzie: N, - liczba impulsów zliczona w i-tym pomiarze, fG - częstotliwość generatora wzorcowego G, P - liczba pomiarów w czasie jednego obrotu wału, n, - średnia prędkość przy obrocie o kąt 2n/P rad w i-tym pomiarze.

Powyższą zależność wykorzystuje się do określenia względnego całkowitego odchylenia chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej kc_b względnego odchylenia chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej przy jednym obrocie koi i względnego wieloobrotowego odchylenia chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej kwi.

Liczba pomiarów w czasie jednego obrotu wału zależy od prędkości kątowej. Jest ona ograniczona z jednej strony dopuszczalnym błędem kwantowania - po każdym pomiarze sprawdza się, czy liczba zliczonych impulsów nie jest zbyt mała, z drugiej strony pojemnością licznika - po każdym pomiarze sprawdza się sygnały przepełnienia liczników L1, L2. Gdy jeden z warunków nie jest spełniony, odpowiednio zmieniony jest podział dzielnika częstotliwości DF.

Określenie kąta położenia wału dla dowolnego pomiaru umożliwia odczytanie przez mikrokomputer PC sygnału odniesienia przetwornika obrotowo-impulsowego IE.

Departament Wydawnictw dP RP. Nakład 90 egz.

Cena 2,00 zł

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposóp cyfrowego pomiara odchyleń chwiłowejprędkości kąto wejod wart ości średn^ w funkcji kąta obrotu wału, wykorzystujący impulsy zależne ad prędkości kątowej wału i porównanie ith z impulsami wzorcowymi, znamienny tym, że zlicza się impulsy wzorcowe wysyłane z generatora wzorcowego (G) w sposób ciągły, od momentu otrzymania sygnału odniesienia z przetwornika obrotowo-impulsowego (IE), w dwóch licznikach (L1, L2), pracujących naprzemiennie każdy przez czas trwania impulsu bramkującego zależnego od prędkości kątowej wału, równocześnie w czasie wykonywania serii L pomiarów impulsów wzorcowych zapisuje się w pamięci mikrokomputera (PC) ciąg liczb N1, N2,..., Nl określających ilość impulsów, po czym oblicza się przy pomocy mikrokomputera (PC), przy Ppomiarach na jeden obrót i M zmierzonych obrotach, dla położenia wału i · 2n/P rad, względnie całkowite odchylenie chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej ko, z zależnością:

   M-P Σ Ni

   u. - i⁼¹ _ 1

   Μ · P · Nj ’ gdzie j - jest wskaźnikiem sumowania, N, - liczbą impulsów zliczonych w i-tym rozpatrywanym pomiarze, ponadto określa się również, przy pomocy mikrokomputera (PC), względne odchylenie chwilowej prędkości kątowej przy jednym obrocie, związane ze zmianami prędkości o okresie równym okresowi obrotu ko, zgodnie z zależnością:

   i

   Σ N;

   . _ j=i-P+l _ _t ~ P · Nj ’ oprócz tego określa się także, przy pomocy mikrokomputera (PC), względne wieloobrotowe odchylenie chwilowej prędkości kątowej od wartości średniej, związane ze zmianami prędkości niezależnymi od okresu obrotu wału kwi, zgodnie z zależnością:

   M-P Σ Nj _k . = _Jzł__1 .

   Μ · Σ Nj j=i-P+l
2. 2. Układ ko cyCroweoo wom iam oCcholeń dl wiło wejor^d Rości kątowąj owi wartorci średnice w funkcji kąta obrotu wału, zawierający generator wzorcowy i połączone z nim dwa tory równoległe, z których jeden tor jest połączony bezpośrednio, a drugi przez inwerter, znamienny tym, że wyjście przetwornika orrotowo-imaulyowego (IE) jest połączone z wejściem dzielnika częstotliwości (DF), którego wejście wyboru podziału połączone jest poprzez układ sprzęgający (dó) z magistralą danych mikrokomputera (PC), natomiast wyjście dzielnika częstotliwości (DF) połączone jest z wejściem bramkującym licznika pierwszego (L1) bezpośrednio oraz z wejściem bramkującym licznika drugiego (L2) poprzez inwerter (IN), z kolei do wejść zegarowych obu liczników (L1, L2) połączone jest wyjście generatora wzorcowego (G), ponadto do magistrali mikrokomputera (PC) dołączone są, poprzez układ sprzęgający (dó), wyjścia liczników pierwszego (L1) i drugiego (L2),

   169 386 3 wyjścia przepełnienia liczników pierwszego (L1) i drugiego (L2), wyjście dzielnika częstotliwości (DF) i wyjście odniesienia przetwornika obrotowo-impulsowego (IE).