PL172950B1

PL172950B1 - Przetwornik obrotów, zwlaszcza do miernika objetosci przeplywu PL

Info

Publication number: PL172950B1
Application number: PL93301603A
Authority: PL
Inventors: Markus Binkle
Original assignee: Techem Ag
Priority date: 1993-01-26
Filing date: 1993-12-22
Publication date: 1997-12-31
Also published as: ATE184701T1; DE4301966C1; ES2137964T3; HUT66902A; EP0608494A2; PL301603A1; EP0608494B1; CZ261893A3; EP0608494A3; HU9400220D0; CZ289555B6; SK138693A3; DK0608494T3; DE59309782D1; HU216498B

Abstract

1. Przetwornik obrotów, zwlaszcza do miernika objetosci przeplywu, posiadajacy wirnik z katowo rozmieszczonymi sektorami o róznych zdolnosciach tlumienia zewnetrz- nego pola elektromagnetycznego, na przeciw których usytuowane sa bezstykowe czujniki indukcyjne, bedace elementami obwodów drgajacych typu LC, przy czym obwody te polaczone sa z ukladem dyskryminatora ob- rotu wirnika, znamienny tym, ze posiada dokladnie dwa czujniki (MS, RS), z których jeden stanowi czujnik odniesienia (RS), usy- tuowany naprzeciw sektora wirnika (R), któ- rego zdolnosc tlumienia nie zmienia sie przy obrocie wirnika (R), a ponadto wirnik (R) w obszarze wspólpracujacym z drugim czujni- kiem, stanowiacym czujnik pomiarowy (MS), ma nieparzysta liczbe sektorów (d0, d1, d 2 ) o róznych zdolnosciach tlumienia. Fig.1 b PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest przetwornik obrotów, zwłaszcza wirnikowego miernika objętości przepływu płynu, który mierzy liczbę obrotów wirnika oraz jego kierunku. Przetwornik taki może być stosowany w licznikach ciepłej i zimnej wody jak również w licznikach ilości ciepła.

Z opisu patentowego nr DE 3923398 Cl znanyjestprzetwornik obrotowy posiadający tarczowy, wirnik, którego płaska powierzchnia jest podzielona na dwa sektory w kształcie wycinków koła o kącie wierzchołkowym 180°. Sektory te mają różniące się między sobą zdolności tłumienia zewnętrznego pola elektromagnetycznego. Z wirnikiem współpracują cztery czujniki w postaci cewek indukcyjnych, będących elementami czterech obwodów drgających typu LC. Czujniki sąrozmieszczone równomiernie wzdłuż obwodu wirnika co 90°. Dwa z tych czujników, usytuowane na przeciw siebie, są połączone tak, że wytwarzają sygnał odniesienia.

Przetwornik obrotów według wynalazku, charakteryzuje się tym, że posiada dokładnie dwa czujniki, z których jeden stanowi czujnik odniesienia, usytuowany naprzeciw sektora wirnika, którego zdolność tłumienia nie zmienia się przy obrocie wirnika, a ponadto wirnik w obszarze współpracującym z drugim czujnikiem, stanowiącym czujnik pomiarowy, ma nieparzystą liczbę sektorów o różnych zdolnościach tłumienia.

Korzystnie według wynalazku wirnik jest wykonany jako tarcza.

Również korzystnie czujnik pomiarowy jest usytuowany w pobliżu obwodu wirnika.

Według wynalazku czujnik odniesienia jest usytuowany w osi obrotu wirnika.

Zgodnie z wynalazkiem czujnik odniesienia jest usytuowany naprzeciw sektora wirnika, który ma Inne zdolności tłumienia, niż zdolność tłumienia sektorów wirnika, usytuowanych naprzeciw czujnika pomiarowego.

Według wynalazku sektor wirnika, który jest usytuowany naprzeciw czujnika odniesienia, ma zdolność tłumienia, która odpowiada średniej zdolności tłumienia sektorów, usytuowanych naprzeciwko czujnika pomiarowego.

Zgodnie z wynalazkiem wirnik jest wykonany jako tarcza z tworzywa sztucznego z metalowymi pokryciami, które tworzą sektory o różnych zdolnościach tłumienia.

Według wynalazku metalowe pokrycia w sektorach o różnych zdolnościach tłumienia mają różną grubość.

Również według wynalazku kształty metalowych pokryć w sektorach o różnych zdolnościach tłumienia są różne.

Zgodnie z wynalazkiem metalowe pokrycia w sektorach o różnych zdolnościach tłumienia mają różną przewodność elektryczną.

Również zgodnie z wynalazkiem metalowe pokrycia w sektorach o różnych zdolnościach tłumienia mają różne przewodnictwa magnetyczne.

Korzystnie według wynalazku wirnik jest wykonany jako wydrążony cylinder.

Również korzystnie według wynalazku wirnik jest wykonany jako kielich.

Zgodnie z wynalazkiem czujniki umieszczone są równolegle do osi obrotu w pewnym od siebie odstępie.

Również zgodnie z wynalazkiem czujniki wykonane sąjako cewki powietrzne.

Korzystnie według wynalazku czujniki sąwykonane jako cewki z rdzeniami ferrytowymi.

Korzystnym skutkiem wynalazkujest obniżenie kosztów produkcji przetwornika, uzyskane przez zmniejszenie liczby czujników z czterech do dwóch. Ponadto wykonanie wirnika w postaci wydrążonego wewnętrznego cylindra umożliwia zwiększenie czułości przetwornika, gdyż zmniejszony jest moment bezwładności, co umożliwia pomiar bardzo małych przepływów.

Koszty są absolutnie minimalne przy zastosowaniu dwóch czujników i trzech różnych sektorach wirnika. Umożliwia to przy nie zmienionej technologii większą częstość odczytywania tarczy wirnika i przez to detekcję większych prędkości obrotowych. Przy danej maksymalnej prędkości obrotowej można w porównaniu z systemami czujnikowymi zawierającymi trzy, cztery lub więcej czujników zaoszczędzić na energii, ponieważ w jednostce czasu trzeba przeprowadzać mniej odczytów czujników. Detektor obrotu nadaje się zatem szczególnie dobrze do układów czujnikowych zasilanych z baterii.

172 950

Rozdzielczość kątową można w pewnych granicach, które . zależą od kształtu geometrycznego czujnika pomiarowego, zmieniać przez zmianę liczby różnych sektorów kątowych.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony na przykładzie wykonania uwidocznionym na rysunku, na którym fig. 1 a przedstawia schematycznie wirnik tarczowy z trzema sektorami o różnych zdolnościach tłumienia, fig. Ib - schemat wirnika z czterema sektorami o różnych zdolnościach tłumienia, fig lc - schemat wirnika w postaci cylindrycznej w widoku z boku, fig. ld schematycznie wirnik z fig. lc w widoku z przodu, fig. le - wykres zależności tłumienia w funkcji kąta obrotu w układzie na fig. 2, fig. lf- schematycznie dalsząpostać wykonania przetwornika, fig. 2 - schemat połączeń obwodów drgających obydwóch czujników, fig. 3a - schemat blokowy, fig. 3b - wykres fazowy, oraz fig. 4 - schemat blokowy elektroniki szacuj ąco-obliczeniowej.

Budowa układu czujnikowego jest przedstawiona schematycznie na fig. 1 a. Czujnik obrotu składa się z płaskiej tarczy wirnikowej (R) z nieparzystąliczbątrzech lub więcej sektorów (d0, dl, d2) wirnikowych o różnych zdolnościach tłumienia z czujnika pomiarowego MS, umieszczonego na obrzeżu i czujnika odniesienia RS, osadzonego w centrum wirnika. Zasięg czujnika pomiarowego MS ogranicza się w zasadzie do jednego sektora wirnika. Zasięg czujnika odniesienia obejmuje wszystkie sektory wirnika w równych częściach.

Jako czujniki stosuje się cewki, w których obwodzie magnetycznym znajduje się również wirnik. Różne sektory wirnika są zdolne do pobierania energii z cewek czujnikowych przez sprzężenie za pośrednictwem pola magnetycznego. Na przykład sektory wirnika mogą być laminowane foliąmiedzianąo różnej grubości. Umieszczenie pierścieni zwierających o różnej liczbie na sektor wirnika i/lub o różnych średnicach stanowi drugą możliwość. Aby zmniejszyć koszty, została ustalona liczba sektorów k=3. Na fig. 1 a przedstawione zostało przykładowe rozwiązanie bez ogólnego ograniczenia.

Dalszy układ czujnikowy jest przedstawiony na fig. Ib. Można przygotować k + 1-szy sektor wirnika, który charakteryzuje się średnim tłumieniem pozostałych k sektorów wirnika. Jest to środkowy sektor wirnika dm.

Możliwe jest również wykonanie wirnika w postaci cylindra, jak to zostało uwidocznione na fig. lc 1 Id.

Figura lf przedstawia wirnik w kształcie kielicha z sektorem 12 z materiału tłumiącego. W wirniku umieszczony jest czujnikpomiarowy 13 w kształcie grzyba. Zaznaczone sąrównież linie pola magnetycznego.

Czujnik odniesienia 14 jest również przedstawiony w sąsiedztwie czujnika pomiarowego, a mianowicie w osi obrotu 15 wirnika 11.

Czujniki te są częścią obwodu drgań, który jest na krótko wzbudzany i potem wykonuje swobodnie tłumione drgania. Zaniknięcie drgań elektrycznych zależy od zdolności tłumienia różnych sektorów wirnika. Na fig. le pokazana jest, w zależności od położenia kątowego wirnika, zdolność tłumienia d lub proporcjonalna do zdolności tłumienia dobroć obwodów drgań czujników.

Czujnik pomiarowy wytwarza okresowy przebieg tłumienia o okresie 2Π w zależności od ustawienia wirnika Φ. Po fazie przejściowej z jednego sektora wirnika na następny tłumienie jest stałe, podczas gdy sektor, wirnika mija czujnik pomiarowy.

Przebieg sygnału odniesleniajest zasadniczo niezależny od położenia wirnika. Zmienia on się tylko wraz ze zmianą zdolności elektromagnetycznych całego układu czujnikowego i może być dzięki temu wykorzystywany jako sygnał kompensacji błędu dla czujnika pomiarowego. Możliwe jest również kompensowanie wahań temperatury, na przykład uwarunkowanych systemowo przy miernikach objętości, oraz zewnętrznych pól magnetycznych. Uzyskuje się również tłumienie zakłóceń dla qausi-statycznych pól magnetycznych, kiedy wariancja czasowa pola magnetycznego obejmuje prawo próbkowania, omówione w dalszej części opisu.

Obydwa obwody drgające są wzbudzane, jeden po drugim, w okresie czasu tp w odstępie tl, a drgania sąoceniane w czasie okienka pomiarowego t_mes. Układ czujnikowy może być zatem traktowany jako układ próbkowania.

172 950

Kwantyzacja sygnału czujnika przez obydwa liczniki prowadzi do cyfrowego przedstawienia sygnału czujnika, to znaczy dobroci lub tłumienia. Układ czujnikowy można zatem traktować jako przetwornik analogowo-cyfrowy, działający na zasadzie zliczania.

Czujnik pomiarowy jest uruchamiany z częstością odczytu fa = 1/Ta, gdzie Ta oznacza okres odczytu. Ponieważ również czujnik odniesienia jest uruchamiany z tą częstością odczytu, aby ocena sygnału czujnika pomiarowego była zawsze dopasowana do sygnału czujnika odniesienia, można określić maksymafnąmużliwąliczbę n obrotów przy k sektorów wirnika zgodnie z twierdzeniem Shannona o próbkowaniu i z uzwględnieniem współczynnika nadmiernego próbkowania u:

n = 1/(2 Ta k u), przy Ta > t_mes + tl + tp

Na fig. 2 pokazany jest elektryczny schemat przykładowego układu czujnikowego. W celu wzbudzenia obwodu drgań łącznik SI zostaje zamknięty na czas tp. Łącznik S2 tego samego czujnika jest rozwarty, a taki sam łącznik nie wzbudzonego czujnika jest zwarty, aby uniemożliwić sprzężenie elektromagnetyczne obydwu czujników. Na fig. 2 L nD^U^ł^t^yjjiośść obwodu uigAń, c - pojemność ouwuuu drgań, ub - napięCiC piacy ouwodu urgań, oraz GND - potencjał masy układu.

Na fig. 4 pukazanyjest schemat blokowy układu przetwarzania sygnału czujnika. Sterowanie procesem przetwarzania sygnału czujnika realizuje nie pokazany na fig. 4 układ sterowania. Sygnały czujników podawane sąna analogowy demultiplekser, który poUaje sygnał czujnika na zrealizowany sprzętowo układ progowy (z histerezą). Uzyskany w ten sposób sygnał wyjściowy przedstawia czasowy ciąg przekroczeń progu przez Drgania czujnikowego obwodu Urgań i jest proporcjonalny do chwilowej Uobruci czujnikuwegu obwodu drgań lub jegu tłumienia d. Liczba przekroczeń wartości progowej jest zależna uU tegu, czy aktywny jest czujnik odniesienia, czy też czujnik pomiarowy 1 zliczanajest przez licznik odniesienia lub licznik czujnikowy Ula każdego czujnika. UkłaU progowy generuje k-1 progów, z którymi porównywany jest późniejszy stan licznika czujnika. Te wartości progowe sątymczasowu zapamiętywane w k-1 przerzutnikach zatrzaskowych. Sygnały wyjściowe k-1 komparatorów K(1) do K(k-l) przetwarzane sąw układzie ruzpuznawania obrotu i kierunku. Układ ten Dostarcza dwa zmienne w czasie cyfrowe sygnały wyjściowe, które można interpretować jaku kierunek i impuls 1/k obrotu.

Na fig. 3a przedstawiony został szczegółowy schemat blokowy układu określania obrutu i kierunku dla k=3 różnych sektorów wirnika. Układ ten złożony jest z ubwodu przełączania i z przerzutnika typu D.

Na fig. 3b przedstawiony jest wykres stanu obwodu przełączania. Poszczególne stany SI, S2, S3, S4, obwodu przełączania wynikają z przedstawionego na fig. lai le przebiegu tłumienia przy k=3 sektorów wirnika zgodnie ze zmiennymi wejściowymi 00/000, OO/lOO, 00/110,01/000, 01/100, 01/110,10/001,11/000,11/100, 11/110, które są utworzone w formie k(2) k(1) KIB, przy czym k(1), k(2) sątu sygnałami wejściowymi obwuUu przełączania pokazanego na fig. 3a, a Κ,Ι,Β jego sygnałami wyjściowymi dla kierunku, impulsu ubrotu i błędu. Stan S4 jest redundancyjny i wykorzystywany jestjaku stan błędu. Generowany sygnał błędu może być zapamiętany i kontrolowany. Nie została podana funkcja przejścia ze stanu błędu S4, ponieważ może być una wyzwalana różnymi sposobami, na przykład przez asynchroniczny sygnał kasowania lub synchronicznie przez funkcję przejścia du stanu Uozwulonego. ObwóU przełączania może być wykonany jako synchroniczny obwód przełączania z przynajmniej dwoma członami pamięci, na przykład jako układy przerzutnikowe. Dalszy przerzutnik typu D potrzebny jest Uo określania kierunku.

Impulsy 1/k ubrutu uraz sygnał pokazujący kierunek mogą być dalej przetwarzane w mierniku objętuści.

172 950

Fig. ld Fig. lc

RS

172 950

Fig. lf

172 950

Ub

Czujnik odniesienia

S2j (RS)

	c i	1^L
S1_	(RS)

.S

Έ n

« ® α JS m 2 =>

Czujnik pomiarowy S2j (MS)

GND

Ub

	c \|	3 ^L
S1_	(MS)

GND

Fig.2

172 950

Κ[11

Κ[2]

Kierunek

Impuls

Błąd

Fig. 3a

00/110

00/000

11/000

10/001

Fig. 3b

10/001

172 950

Licznik

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Przetwornik obrotów, zwłaszcza do miernika objętości przepływu, posiadający wirnik z kątowo rozmieszczonymi sektorami o różnych zdolnościach tłumienia zewnętrznego pola elektromagnetycznego, na przeciw których usytuowane sąbezstykowe czujniki indukcyjne, będące elementami obwodów drgających typu LC, przy czym obwody te połączone są z układem dyskryminatora obrotu wirnika, znamienny tym, że posiada dokładnie dwa czujniki (MS, RS), z którychjeden stanowi czujnik odniesienia (RS), usytuowany naprzeciw sektora wirnika (R), którego zdolność tłumienia nie zmienia się przy obrocie wirnika (R), a ponadto wirnik (R) w obszarze współpracującym z drugim czujnikiem, stanowiącym czujnik pomiarowy (MS), ma nieparzystą liczbę sektorów (d0, d1, d2) o różnych zdolnościach tłumienia.
2. Przetwornik obrotów według zastrz. 1, znamienny tym, że wirnik (R) jest wykonany jako tarcza.
3. Przetwornik obrotów według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że czujnik pomiarowy (MS) jest usytuowany w pobliżu obwodu wirnika.
4. Przetwornik obrotów według zastrz. 1, znamienny tym, że czujnik odniesienia (RS) jest usytuowany w osi obrotu wirnika (R).
5. Przetwornik obrotów według zastrz. 1, znamienny tym, że czujnik odniesienia (RS) jest usytuowany naprzeciw sektora (dm) wirnika (R), który ma inną zdolność tłumienia niż sektory (d0, d1, d2) wirnika, usytuowane naprzeciw czujnika pomiarowego (MS).
6. Przetwornik obrotów według zastrz. 5, znamienny tym, że sektor (dm) wirnika (R), który jest usytuowany naprzeciw czujnika odniesienia (RS), ma zdolność tłumienia, która odpowiada średniej zdolności tłumienia sektorów, usytuowanych naprzeciw czujnika pomiarowego (MS).
7. Przetwornik obrotów według zastrz. 5, znamienny tym, że wirnik (R) jest wykonany jako tarcza z tworzywa sztucznego z metalowymi pokryciami, które tworzą sektory (d1, d2) o różnych zdolnościach tłumienia.
8. Przetwornik obrotów według zastrz. 7, znamienny tym, że metalowe pokrycia w sektorach o różnych zdolnościach tłumienia mają różną grubość.
9. Przetwornik obrotów według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że kształty metalowych pokryć w sektorach o różnych zdolnościach tłumienia są różne.
10. Przetwornik obrotów według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że metalowe pokrycia w sektorach o różnych zdolnościach tłumienia mają różną przewodność elektryczną.
11. Przetwornik obrotów według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że metalowe pokrycia w sektorach o różnych zdolnościach tłumienia mają różne przewodnictwa magnetyczne.
12. Przetwornik obrotów według zastrz. 1 albo 5, znamienny tym, że wirnik (R) jest wykonany jako wydrążony cylinder.
13. Przetwornik obrotów według zastrz. lalbo 5, znamienny tym, że wirnik (R) jest wykonany jako kielich
14. Przetwornik obrotów według zastrz. 12 albo 13, znamienny tym, że czujniki (RS, MS) umieszczone są równolegle do osi obrotu w pewnym od siebie odstępie.
15. Przetwornik obrotów według zastrz. 1, znamienny tym, że czujniki (RS, MS) wykonane są jako cewki powietrzne.
16. Przetwornik obrotów według zastrz. 1, znamienny tym, że czujniki (RS, MS) wykonane sąjako cewki z rdzeniami ferrytowymi.

* * *

172 950