SK138693A3 - Rotation detector - Google Patents

Description

Vynález sa týka detektora otáčania, hlavne pre merací diel objemu, s rotorom, ktorý obsahuje viac uhlovo rozdelených úsekov s rozdielnymi tlmiacimi vlastnosťami pre elektromagnetické kmitanie, proti ktorým je uložených viac čidiel, ktoré sú vždy prvkom oscilačného obvodu, takže pri otáčaní rotoru sú kmity oscilačného obvodu tlmené, pričom východiskové signály oscilačných obvodov sú privádzané do diskriminátorového zapojenia, ktoré meria otáčky rotora, ako i prípadne smer jeho otáčania.

Doterajší stav techniky

Takéto detektory sa používajú pre meracie diely objemu, napríklad pre počítače studenej alebo aj teplej vody, ak sú doplnené teplotným čidióm.

Z patentového spisu DE 39 23 398 C1 je známy detektor otáčok s vyššie uvedenými znakmi. Jeho kotúčovitý rotor má celkovo dva úseky s odlišnými tlmiacimi vlastnosťami, ktoré zaujímajú vždy 180°. Proti rotoru ležia vždy štyri detektory, umiestnené so vzájomnými odstupmi 90°. Tu navzájom protiľahlé detektory sú vzájomne spojené tak, že vydávajú referenčný signál.

Nedostatkom tohto známeho detektora sú predovšetkým vysoké konštrukčné náklady, vyplývajúce hlavne z toho, že sú potrebné štyri detektory. Bolo by síce možné bez podstatnej ujmy na presnosti merania vypustiť jeden z meracích detektorov, ale i tak sú stále potrebné detektory vytvorené ako oscilačné cievky, ktoré musia byť podľa dnešného stavu techniky vyrobené na zákazku, aby mali potrebnú citlivosť, takže každý detektor je pomerne drahý.

Pri vychádzaní z tohto stavu techniky si vynález kladie za úlohu vytvoriť detektor otáčok s vyššie uvedenými znakmi, ktorý by mohol byť bez ujmy na kvalite vyrábaný poznatelne lacnejšie.

Podstata vynálezu

Uvedený ciel je dosiahnutý detektor otáčania podlá vynálezu, ktorý obsahuje presne dve čidlá, z ktorých jedno čidlo, a to referenčné čidlo, leží proti oblasti rotora, ktorého tlmiace vlastnosti sa pri otáčaní rotora nemenia, pričom rotor má v tej oblasti, ktorá pri otáčaní leží proti meraciemu čidlu, nepárny počet úsekov s rozdielnymi tlmiacimi vlastnosťami.

Pretože proti referenčnému čidlu leží úsek rotora, ktorého tlmiace vlastnosti sa pri otáčaní rotora nemenia, vystačí sa s jediným referenčným čidlom.

Skutočnosť, že proti meraciemu čidlu leží nepárny počet úsekov rotora s rozdielnymi tlmiacimi vlastnosťami, má za následok, že výstupný signál oscilačného obvodu meracieho čidla má nesymetrický priebeh a je z neho možné s pomocou diskriminátorového zapojenia merať počet otáčok rotora, ako i smer jeho otáčania.

Zatial čo v stave techniky sa použijú celkovo dva úseky rotora s rozdielnymi tlmiacimi vlastnosťami, podlá vynálezu sú potrebné najmenej tri takéto úseky, eventuálne tiež štyri, päť, atď, ako je nižšie ešte podrobnejšie vysvetlené. Toto zväčšenie počtu úsekov rotora s rozdielnymi tlmiacimi vlastnosťami však neprináša prakticky žiadne prídavné náklady, pretože sa môže dosiahnuť velmi jednoduchými opatreniami, ktoré sú ďalej ešte podrobnejšie popísané.

Pri výhodnom vyhotovení vynálezu je rotor vytvorený ako kotúč. To má výhodu v tom, že rotor potrebuje málo miesta.

Ďalej je výhodné, ak je meracie čidlo uložené čo najbližšie k rotoru. Tým je citlivosť rotora zvýšená.

Referenčné čidlo môže byt uložené proti osi otáčania rotora. Pri tomto vyhotovení sa vystačí s nepárnym počtom úsekov rotora, majúcich odlišné tlmiace vlastnosti. Najmenej je potrebné mať tri takéto úseky. Referenčné čidlo bude pri tomto usporiadaní rovnakým spôsobom ovplyvňované všetkými úsekmi s rozdielnymi tlmiacimi vlastnosťami a vydáva preto referenčný signál. Pri tomto usporiadaní musí byť referenčné čidlo presne vycentrované a tiež medzi oboma čidlami je pomerne veľká vzdialenosť, pretože je výhodné, ako bolo uvedené, ak je čidlo uložené pokiaľ možno blízko obvodu.

Ak sa má tomuto predísť, leží podľa dalšieho výhodného vyhotovenia vynálezu referenčné čidlo proti úseku rotora, ktorý má iné tlmiace vlastnosti ako tie úseky rotora, ktoré ležia proti meraciemu čidlu. Táto oblasť s do istej miery neutrálnymi tlmiacimi vlastnosťami môže potom zaujať určitú kotúčovitú plochu, takže referenčné čidlo môže byť uložené veľmi blízko meracieho čidla. To so sebou prináša podstatnú výhodu v tom, že vonkajšie rušivé vplyvy, napríklad podmienené vonkajšími magnetickými poľami, vonkajšími teplotnými vplyvmi, pôsobia prakticky rovnako na obidve čidlá, takže sa tieto vonkajšie vplyvy navzájom eliminujú.

vyhotovenia kotúčovitého je vytvorený ako kotúč

Konštrukčne obzvlášť jednoduché rotora sa vyznačuje tým, že rotor z plastickej hmoty s kovovými povrstveniami, ktoré tvoria úseky s odlišnými tlmiacimi vlastnosťami. Tieto kovové povrstvenia sa líšia napríklad rozdielnou hrúbkou, napríklad naparených medených vrstiev, alebo tiež rozdielnymi tvarmi, napríklad rozdielnym počtom a/alebo veľkosťou kruhu.

Pokiaľ je rotor vytvorený ako dutý valec, vyznačuje sa obzvlášť malou zotrvačnosťou, čo je prirodzene výhodné, hlavne ak sa má merať médium prúdiace s malou rýchlosťou.

Bolo už uvedené, že čidlá sú vytvorené ako cievky. Môžu byt použité cievky bezjadrovej cievky, t.j. cievky bez oceľového jadra alebo i feritové cievky.

Bezjadrové cievky sa používajú z tých dôvodov, že v protiklade k feritovým jadrám alebo dokonca feromagnetickým jadrám nedochádza k žiadnemu nasýteniu jadrového materiálu, ktoré môže byt spôsobené vonkajšími DC-magnetickými poľami (=rušením). Jadro nachádzajúce sa v stave nasýtenia nemôže už prijímat ďalšiu energiu, hlavne energiu čidlového oscilačného obvodu. (Čidlová cievka s kondenzátorom, pokladané za oscilačný obvod, nemôže potom už vykonávat žiadne kmity, lebo zásobník energie /=cievka/ nepripúšta žiadnu zmenu energie.)

Vhodné feritové jadrá s vysokou silou poľa nasýtenia sa používajú, aby sa dosiahlo cielené vedenie magnetického poľa a zvýšenie kvality čidlovej cievky.

Premagnetizačné straty je možné udržiavat vhodnou voľbou materiálu feritového jadra pre zodpovedajúce kmitočtové rozsahy. Spotrebuje sa potom málo energie.

Feritové cievky môžu byt použité s jadrami hríbového tvaru (napr. obzvlášt pre rotor pohárikového tvaru. Pohárikový tvar je pološkrupinový tvar, patrí do stavu techniky u magnetických čidiel priblíženia).

Výhody bezjadrových cievok spočívajú v tom, že statické magnetické polia nevedú k žiadnym javom nasýtenia magnetickej energie v cievke. Čidlový oscilačný obvod môže bez prekážok kmitat. Výhody cievok s feritovými jadrami spočívajú v tom, že zaistujú dobre vedenie póla, zosilňovanie a zväzkovanie k tlmenému úseku rotora a zvýšenie kvality cievky, a tým i oscilačného obvodu.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález je bližšie vysvetlený v nasledujúcom popise na príkladoch vyhotovenia s odvolaním na pripojené výkresy, na ktorých sú znázornené;

obr. la schematický pohľad na podstatné prvky detektora podľa vynálezu, pričom rotor má tri úseky s rozdielnym tlmením, obr. lb pohľad zodpovedajúci obr. la, pričom detektor má štyri úseky s rozdielnym tlmením, obr. lc čelný pohľad a bočný pohľad na vždy obmenené vyhotovenie, pričom rotor je vytvorený ako dutý valec a cievky sú cievky s feritovými jadrami, obr. ld schéma pre znázornenie priebehu tlmenia v závislosti na čase a na uhle otáčania o plnom otočení pri signáli získanom usporiadaním podľa obr. la, obr. le schéma ďalšieho vyhotovenia detektora, obr. 2 schéma zapojenia pre oscilačné obvody oboch čidiel, obr. 3a bloková schéma zapojenia, obr. 3b stavový diagram, obr. 4 blokovú schému zapojenia pre vyhodnocovaciu elektroniku.

Príklady vyhotovenia vynálezu

Možná stavba čidlového zariadenia je znázornená schematicky na obr. la. Detektor otáčok pozostáva z plochého rotorového kotúča R s nepárnym počtom troch alebo viac rotorových segmentov dO, dl, d2 rozdielnych elektromagnetických vlastností, meracieho čidla MS, ktoré je uložené na obvode rotora a referenčného čidla RS, ktoré je uložené nad stredom rotora. Dosah meracieho čidla sa obmedzuje v podstate na jedno rotorové čidlo. Dosah meracieho čidla zahrňuje všetky rotorové segmenty s rovnakými podielmi.

V typickom prípade sa ako čidlá použijú cievky, v ktorých magnetickom obvode sa nachádza tiež rotor. Jednotlivé rotorové segmenty majú schopnosť odnímať čidlovej cievke energiu spriahnutím magnetických polí. Napríklad môžu byt rotorové segmenty kašírované medenou fóliou rôznej hrúbky. Umiestnenie rôzneho počtu skratovacích prstencov na každý alebo skratovacích prstencov s rozdielnymi priemermi na každý rotorový segment je druhou možnosťou. Aby sa ušetrili náklady, použije sa niekolko segmentov k=3. Ďalej sa sleduje tento príklad, bez toho, aby tým bola obmedzená všeobecnosť.

Ďalšie možné usporiadanie čidlovej zostavy je znázornené na obr. lb. Je možné pripraviť (k+l)-tú rotorovú oblasť, ktorá sa vyznačuje stredným tlmením ostatných rotorových oblastí. To je stredná rotorová oblasť dm.

Obr. le ukazuje rotor v pohárikovej forme s oblasťou 12 z tlmivého materiálu. V rotore je uložené meracie čidlo 13. hríbovitého tvaru. Rovnako sú naznačené siločiary. V rotore je tiež znázornené referenčné čidlo 14 vedia meracieho čidla, a to na osi otáčania 15.

Čidlá sú vždy časťou oscilačného obvodu, ktorý je krátko nabudzovaný a potom vykonáva volné tlmené kmity. Odznenie elektrických kmitov je závislé na tlmení rôznych rotorových segmentov. Obr. Id ukazuje v závislosti na nastavení uhla rotora tlmenie d alebo kvalitu Q oscilačného obvodu úmernú tlmeniu.

Meracie čidlo vytvára v závislosti na rotorovej polohe fí (phi) periodický priebeh tlmenia s periódou 2π. Po prechodovej fáze z rotorového segmentu na nasledujúci segment je tlmenie konštantné, keď sa rotorový segment pohybuje okolo meracieho čidla.

Priebeh referenčného signálu je vo velkej miere nezávislý na polohe rotora. Mení sa len s výchylkou elektromagnetických vlastností celej čidlovej zostavy a môže sa preto využiť ako signál pre vyrovnávanie chyby pre meracie čidlo. Je tak možné kompenzovať teplotné výchylky (napríklad systémovo podmienených u meracích dielov objemu) a vonkajšie pole. Tiež sa dosiahne

Ί potlačenie rušenia pre kvázistatické magnetické polia, keď časová výchylka magnetického póla dodrží v nasledujúcom úseku popisovanou snímaciu podmienku.

Oba čidlové oscilačné obvody sa krátko po sebe v priebehu doby tp nabudzujú v odstupe tl a kmity sa vyhodnocujú cez meracie okienko z tmer. Čidlové zariadenie tak môže byť pokladané za snímací systém.

Kvantovanie čidlového signálu oboma čítačmi vedie k číslicovému znázorneniu čidlového signálu (t.j. kvality alebo tlmenia). S čidlovým zariadením sa tak môže zaobchádzať ako s analógovo-číslicovým prevodníkom s čítaním.

Meracie čidlo je prevádzkované so snímacou rýchlosťou 1/Ta. Pretože bude tiež referenčné čidlo prevádzkované s touto rýchlosťou snímania, aby sa vyhodnocovanie meracieho signálu stále prispôsobovalo signálu referenčného čidla, je možné tiež zadať maximálny počet otáčok pri k rotorových segmentoch pri dodržaní Shannonove snímacej podmienky a zohladnenie presahového súčinitela snímania u:

n = 1/2 (2 Ta.k.u), kde Ta > tmer + tl + tp.

Obr. 2 ukazuje schému elektrického zapojenia možné čidlového zariadenia. Pre budenie oscilačného obvodu je spínač SI uzavretý (zopnutý) na dobu tp. Spínač S2 rovnakého čidla je otvorený, spínač nebudeného čidla je uzavretý, aby sa zabránilo elektromagnetickému spriahnutiu oboch čidiel.

Obr. 4 znázorňuje blokovú schému spracovávacieho procesu signálu čidla. Riadenie spracovávacieho procesu signálu čidla je preberané riadiacou jednotkou. Čidlové signály sú privádzané do analógového demultiplexora, ktorý plní hardwarovo realizovaný prah (s hysteréziou) vždy prepojeným čidlovým signálom: je vykonávané tvrdé rozhodovanie. Takto získaný prahový východiskový signál predstavuje časový sled prekročenia prahu kmitania čidlového oscilačného obvodu a je preto úmerný momentálnej kvalite Q čidlového oscilačného obvodu alebo tlmeniu d. Počet N prekročení prahu sa podlá toho, či je aktívne referenčné alebo meracie čidlo, počíta referenčným alebo čidlovým čítacom pre každé jednotlivé čidlové kmity. Spínacia sieť pre generovanie prahov generuje k-1 prahov, s ktorými sa porovnáva nasledujúci stav čidlového čítača (mäkké rozhodovanie), lebo tieto prahové hodnoty sú medziukladané v k-1 zdržiach. Východiskové signály K [1] a K [k-1] sú spracovávané v zariadení na rozpoznávanie otáčania a smeru. To poskytuje dva časovo premenlivé číslicové východiskové signály, ktoré môžu byt interpretované ako smer a impulz otáčania 1/k.

Obr. 3a ukazuje podrobnú blokovú schému zapojenia zariadenia pre rozoznávanie otáčania a smeru pre k=3 rozdielne rotorové segmenty. Pozostáva zo sekvenčného obvodu (finite state machine, FSN) a D-klopného obvodu.

Stavový diagram sekvenčného obvodu je znázornený na obr. 3b. Sekvenčný obvod je modelovaný ako konečný Mealyho automat. Jednotlivé stavy vyplývajú z priebehu tlmenia znázorneného na obr. la a ld pri k=3 rotorových segmentoch. Stav S4 je redundantný a bude použitý ako chybový stav. Generovaný chybový signál môže byt uložený do pamäti a sledovaný. Prechodová funkcia z chybového stavu S4 nie je udávaná, lebo môže byt spustená rôznym spôsobom (napr. asynchrónny spätný prestavovací signál, synchrónne prechodovou funkciou do dovoleného stavu). Sekvenčný obvod môže byt vytvorený ako spínací sekvenčný obvod s minimálne dvoma ukladacími zložkami (klopnými obvodmi), pričom ďalším D-klopný obvod je potrebný pre rozpoznávanie smeru.

Impulzy otáčania 1/k a signál udávania smeru môžu byt ďalej spracovávané z dielu pre meranie objemu.

Je tak zrejmé, že jadro vynálezu, v porovnaní s vyššie uvedeným stavom techniky, dovoíuje zníženie počtu čidiel na dve, a tiež zväčšenie počtu tlmiacich segmentov s odlišnými elektromagnetickými vlastnosťami, a vynález tak umožňuje vykonávať s minimálnymi nákladmi detekciu otáčania a smeru.

Konštrukčná nákladová funkcia zaujíma absolútne minimum pri počte 2 čidiel a 3 rozdielnych rotorových segmentov.

To umožňuje, pri nezmenenej technológii, vyššiu rýchlosť snímania rotorového kotúča, a tým i detekciu vyšších počtov otáčok. Pri danom maximálnom počte otáčok je možné vzhladom k daným čidlovým systémom s tromi, štyrmi alebo viac čidlami ušetriť energiu, lebo na časovú jednotku sa musí vykonávať menej snímaní čidlami. Detektor otáčania je preto obvzlášť vhodný pre čidlové systémy poháňané batériou.

Rozdelenie uhla môže byť v určitých hraniciach, ktoré závisia od geometrie meracieho čidla, menené počtom k rôznych uhlových segmentov.

Konštrukcia znázorneného čidlového zariadenie je efektívne vykonatelná až analýzovým postupom s počítačovou podporou. Optimalizácia systémových parametrov čidla nie je alebo je len velmi ťažko vykonatelná analyticky, môžu ale poskytnúť lubovolne optimalizácie čidlového systému,

Algebraické modely senzoriky presné numerické riešenie alebo poskytnúť pri danom čidlovom systéme optimálne systémové parametre.

Claims (13)

1. Detektor otáčania, hlavne pre merací diel objemu, s rotorom, ktorý obsahuje viac uhlovo rozdelených úsekov s rozdielnymi tlmiacimi vlastnosťami pre elektromagnetické kmitanie, proti ktorým je uložených viac čidiel, ktoré sú vždy prvkom oscilačného obvodu, takže pri otáčaní rotora sú kmity oscilačného obvodu tlmené, pričom východiskové signály oscilačných obvodov sú privádzané do diskriminátorového zapojenia, ktoré meria otáčky rotora, ako prípadne i smer jeho otáčania, vyznačujúci sa tým, že obsahuje presne dve čidlá (MS, RS), z ktorých jedno čidlo, a to referenčné čidlo (RS), leží proti oblasti rotora (R), ktorého tlmiace vlastnosti sa pri otáčaní rotora (R) nemenia, pričom rotor (R) má v tej oblasti, ktorá pri otáčaní leží proti druhému čidlu, a to meraciemu čidlu (MS), nepárny počet úsekov (dO, dl, d2) s rozdielnymi tlmiacimi vlastnosťami.

2. Detektor otáčania podľa nároku l, vyznačujúci sa tým, že rotor (R) je vytvorený ako kotúč (obr. la, lb).

3. Detektor otáčania podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že meracie čidlo (MS) je uložené čo možno najbližšie obvodu rotora (obr. lb).

4. Detektor otáčania podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým, že referenčné čidlo (RS) je uložené proti osi rotora (R) (obr. la).

5. Detektor otáčania podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 4, vyznačujúci sa tým, že referenčné čidlo (RS) leží proti úseku (dm) rotora (R), ktorý má iné tlmiace vlastnosti ako tie úseky (dO, dl, d2) rotora, ktoré ležia proti meraciemu čidlu (MS).

6. Detektor otáčania podľa nároku 5, vyznačujúci sa tým, že úsek rotora (dm), ktorý leží proti referenčnému čidlu (RS), má tlmiacu vlastnosť zodpovedajúcu priemeru tlmiacich vlastností úseku, ležiacich proti meraciemu čidlu (MS).

7. Detektor otáčania podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 6, vyznačujúci sa tým, že referenčné čidlo a meracie čidlo (MS) ležia čo možno najbližšie vedľa seba.

8. Detektor otáčania podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 7, vyznačujúci sa tým, že rotor (R) je vytvorený ako kotúč z plastickej hmoty s kovovými povrstveniami, ktoré tvoria úseky (dl, d2) s odlišnými tlmiacimi vlastnosťami.

9. Detektor otáčania podľa nároku 8, vyznačujúci sa tým, že kovové povrstvenia majú v úsekoch s odlišnými tlmiacimi vlastnosťami rozdielnu hrúbku.

10. Detektor otáčania podľa nároku 8 alebo 9, vyznačujúci sa tým, že kovové povrstvenia majú v oblastiach s odlišnými tlmiacimi vlastnosťami rozdielne tvary, rozdielne elektrické vodivosti a/alebo magnetické vodivosti.

11. Detektor otáčania podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 7, vyznačujúci sa tým, že rotor (R) je vytvorený ako dutý valec alebo ako pohárik (obr. lc, obr. le).

12. Detektor otáčania podľa nároku 11, vyznačujúci sa tým, že čidlá (RS, MS) sú umiestnené od seba s axiálnym odstupom (obr. lc).

13. Detektor otáčania podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 12, vyznačujúci sa tým, že čidlá (RS, MS) sú vytvorené ako cievky bez železného jadra alebo ako cievky s feritovými jadrami.