RU2704672C1 - Rotary shaft position measuring instrument - Google Patents
Rotary shaft position measuring instrument Download PDFInfo
- Publication number
- RU2704672C1 RU2704672C1 RU2019108333A RU2019108333A RU2704672C1 RU 2704672 C1 RU2704672 C1 RU 2704672C1 RU 2019108333 A RU2019108333 A RU 2019108333A RU 2019108333 A RU2019108333 A RU 2019108333A RU 2704672 C1 RU2704672 C1 RU 2704672C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- induction
- output
- meter
- voltage
- signal converter
- Prior art date
Links
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims abstract description 129
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 51
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 35
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims description 13
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 8
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- QJVKUMXDEUEQLH-UHFFFAOYSA-N [B].[Fe].[Nd] Chemical compound [B].[Fe].[Nd] QJVKUMXDEUEQLH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910001172 neodymium magnet Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения фиксированного углового положения вращающегося вала с системой непрерывного контроля работоспособности измерительных устройств с электромагнитными датчиками.The invention relates to measuring equipment and can be used to determine a fixed angular position of a rotating shaft with a system for continuous monitoring of the operability of measuring devices with electromagnetic sensors.
В настоящее время электромагнитные датчики широко используются в технических разработках, т.к. обладают рядом достоинств: простота и дешевизна конструкции, механическая прочность, бесконтактный съем выходного сигнала, возможность получения достаточно высокой мощности выходного сигнала. Среди многообразия бесконтактных датчиков по неприхотливости к внешним условиям, простоте изготовления и долговечности наиболее привлекательны индукционные датчики и, в первую очередь, из-за того, что они, с одной стороны, электромагнитные, а с другой - генераторные датчики, т.е. для получения полезного сигнала не требуется дополнительное электрическое питание. Чаще всего индукционные датчики используются для определения частоты вращения отдельных узлов машин и механизмов и углового положения вращающихся частей машин и механизмов относительно индукционного датчика, который неподвижно устанавливается в наиболее рациональном месте с точки зрения решения конкретной технической задачи. Однако наличие контактных соединений, длительность эксплуатации в условиях повышенной влажности, ударных нагрузок, широкого диапазона рабочих температур может привести к возникновению неисправностей, например, межвитковое короткое замыкание в индукционной катушке, наличие обрыва в местах пайки, что неизменно влечет за собой получение недостоверной информации о физической величине, которую этот датчик измеряет (значение зазора, частота вращения, угловое положение). Наличие неисправности в датчике может привести к поломке всего агрегата, на котором установлен датчик, и, соответственно, к большим финансовым затратам по его ремонту или замене. Определение неисправного элемента в измерительном канале с последующей его заменой или последующим ремонтом часто также является непростой операцией, поэтому контроль работоспособности установленного на объекте измерительного канала на основе индукционного датчика является актуальной задачей. На основе индукционных измерителей созданы различные приборы для измерения угловых параметров.Currently, electromagnetic sensors are widely used in technical development, as possess a number of advantages: simplicity and low cost of construction, mechanical strength, non-contact removal of the output signal, the ability to obtain a sufficiently high output signal power. Among the variety of non-contact sensors, due to their simplicity to external conditions, ease of manufacture and durability, the most attractive are induction sensors and, first of all, because they are electromagnetic on the one hand and generator sensors on the other, i.e. to obtain a useful signal does not require additional electrical power. Most often, induction sensors are used to determine the frequency of rotation of individual nodes of machines and mechanisms and the angular position of the rotating parts of machines and mechanisms relative to the induction sensor, which is fixedly installed in the most rational place from the point of view of solving a specific technical problem. However, the presence of contact joints, the duration of operation in conditions of high humidity, shock loads, a wide range of operating temperatures can lead to malfunctions, for example, inter-turn short circuit in the induction coil, the presence of a break in the soldering places, which invariably entails the receipt of false information about physical the value that this sensor measures (gap value, speed, angular position). The presence of a malfunction in the sensor can lead to breakdown of the entire unit on which the sensor is installed, and, consequently, to large financial costs for its repair or replacement. The determination of a defective element in the measuring channel with its subsequent replacement or subsequent repair is often also a difficult operation, therefore, monitoring the operability of the measuring channel installed on the object based on the induction sensor is an urgent task. Based on induction meters, various instruments for measuring angular parameters have been created.
Известен индукционный измеритель частоты вращения и углового положения коленчатого вала («Crankshaft speed and angular position detector», FR2447553 (B3) 1981-10-30, G01D 5/245, G01M 15/06, «Детектор скорости вращения и углового положения коленчатого вала»).Known induction meter for speed and angular position of the crankshaft ("Crankshaft speed and angular position detector", FR2447553 (B3) 1981-10-30,
Известный индукционный измеритель состоит из закрепленного на коленчатом валу ферромагнитного индикаторного диска с множеством зубов, размещенных по окружности диска (аналог зубчатого колеса), двух неподвижно закрепленных индукционных катушек, одна из которых используется для определения частоты вращения коленчатого вала, а вторая - для определения углового положения индикаторного диска, на котором размещен дополнительный маркер, подключенного к первой катушке усилителя - формирователя импульсов, количество которых пропорционально частоте вращения индикаторного диска, компаратора, неинвертирующий вход которого подключен через выпрямительный диод, R-С цепочку и резистор к первой катушке, а инвертирующий вход подключен к выходу второй катушки, выход компаратора подключен к моностабильному мультивибратору для формирования прямоугольных маркировочных импульсов, при прохождении маркера под второй индукционной катушкой.A well-known induction meter consists of a ferromagnetic indicator disk mounted on a crankshaft with many teeth placed around the circumference of a disk (analogue of a gear wheel), two motionlessly fixed induction coils, one of which is used to determine the crankshaft rotation speed, and the second to determine the angular position indicator disk, which houses an additional marker connected to the first coil of the amplifier - pulse shaper, the number of which is proportional the rotational speed of the indicator disk, a comparator, the non-inverting input of which is connected through a rectifying diode, an RC circuit and a resistor to the first coil, and the inverting input is connected to the output of the second coil, the output of the comparator is connected to a monostable multivibrator for forming rectangular marking pulses, when the marker passes under second induction coil.
Известный индукционный измеритель работает следующим образом. Напряжение на первой катушке, индуцируемое при прохождении около нее зубов индикаторного диска в соответствии с законом Фарадея, поступает на усилитель - формирователь для определения скорости вращения индикаторного диска и через выпрямительный диод на R-С цепочку. С помощью R-С цепочки формируется пороговое напряжение, значение которого снижается с уменьшением скорости вращения индикаторного диска. Пороговое напряжение поступает на неинвертирующий вход компаратора, на инвертирующий вход которого поступает напряжение, индуцируемое на второй катушке при прохождении около нее маркера. Т.к. напряжение индуцированных паразитных импульсов, амплитуда которых зависит от скорости вращения, существенно меньше, чем напряжение на выходе второй катушки, индуцируемое при прохождении около нее маркера, то они не приводят к ложному срабатыванию компаратора и не влияют на формирование с помощью мультивибратора импульса, определяющего угловое положение маркера и, соответственно, угловое положение индикаторного диска относительно второй индукционной катушки. Снижение скорости вращения индикаторного диска приводит к снижению напряжений, формируемых двумя катушками индуктивности при прохождении около них зубов и маркера, а также и уровней порогового напряжения, формируемого R-С цепочкой, и паразитных импульсов, амплитуда которых также зависит от скорости вращения. Снижение уровня последних не приводит к ложному срабатыванию компаратора при определении углового положения вала, несмотря на то, что пороговое напряжение также уменьшилось.Known induction meter works as follows. The voltage on the first coil, induced when the teeth of the indicator disk pass near it, in accordance with the Faraday law, is supplied to the amplifier-driver for determining the rotation speed of the indicator disk and through the rectifier diode to the RC circuit. Using the R-C chain, a threshold voltage is formed, the value of which decreases with a decrease in the speed of rotation of the indicator disk. The threshold voltage is supplied to the non-inverting input of the comparator, to the inverting input of which the voltage is induced at the second coil when a marker passes near it. Because the voltage of the induced spurious pulses, the amplitude of which depends on the speed of rotation, is significantly less than the voltage at the output of the second coil, induced when a marker passes near it, they do not lead to false triggering of the comparator and do not affect the formation of a pulse determining the angular position using a multivibrator marker and, accordingly, the angular position of the indicator disk relative to the second induction coil. A decrease in the rotational speed of the indicator disk leads to a decrease in the voltages generated by the two inductors during the passage of teeth and a marker near them, as well as the threshold voltage levels generated by the R-C chain and spurious pulses, the amplitude of which also depends on the rotational speed. A decrease in the level of the latter does not lead to a false triggering of the comparator when determining the angular position of the shaft, despite the fact that the threshold voltage has also decreased.
К недостатку известного индукционного измерителя следует отнести отсутствие возможности непрерывного контроля его работоспособности.The disadvantage of the known induction meter is the lack of the possibility of continuous monitoring of its performance.
Известен также индукционный измеритель, предназначенный для измерения различных параметров вращающихся деталей, в том числе и углового положения вала или маховика двигателя внутреннего сгорания («Self-powered wireless induction sensor» WO 2012158342 (A2), G01D 5/2013, G01P 21/02, G01P 3/488, H02J 7/32, 2012-11-22, «Автономный беспроводной индукционный датчик»), один из вариантов которого по совокупности существенных признаков в части использования для определения углового положения вращающегося вала является наиболее близким аналогом заявляемого индукционного измерителя.Also known is an induction meter designed to measure various parameters of rotating parts, including the angular position of the shaft or flywheel of an internal combustion engine ("Self-powered wireless induction sensor" WO 2012158342 (A2), G01D 5/2013, G01P 21/02, G01P 3/488, H02J 7/32, 2012-11-22, "Autonomous wireless induction sensor"), one of which, by the combination of essential features regarding use for determining the angular position of a rotating shaft, is the closest analogue of the inventive induction meter.
Известный индукционный измеритель содержит жестко закрепленный на вращающемся валу индукторный диск, установленные в одном корпусе индукционный модуль, содержащий две индукционных катушки, размещенные соосно на магнитном сердечнике, состоящем из постоянного магнита с ферромагнитным полюсом, преобразователь сигнала с выхода индукционного модуля (sensing module), включающий выпрямитель с фильтром нижних частот, преобразователи напряжений, переключатели, источник питания в виде перезаряжаемой батареи, микроконтроллер (который может включать схему управления, процессор и вычислительное устройство), модуль беспроводной телеметрии и антенну для беспроводной передачи данных. Корпус измерителя с индукционным модулем и преобразователем сигнала установлен неподвижно относительно вращающегося вала в наиболее рациональном месте с точки зрения решения конкретной технической задачи.The known induction meter contains an induction disk rigidly mounted on a rotating shaft, an induction module installed in one housing, comprising two induction coils placed coaxially on a magnetic core consisting of a permanent magnet with a ferromagnetic pole, a signal converter from the output of the induction module (sensing module), including a rectifier with a low-pass filter, voltage converters, switches, a power source in the form of a rechargeable battery, a microcontroller (which may include a control circuit, the processor and the computing device), a wireless telemetry unit and an antenna for wireless data transmission. The meter body with an induction module and a signal converter is installed motionless relative to the rotating shaft in the most rational place from the point of view of solving a specific technical problem.
Индукторный диск, жестко закрепленный на валу и вращающийся вместе с валом относительно корпуса измерителя с индукционным модулем и преобразователем сигнала, имеет на окружности заданное число зубов-мишеней (аналог зубчатого колеса), прохождение каждого из них под индукционным модулем изменяет зазор между ними. Одна индукционная катушка модуля используется для подзарядки перезаряжаемой батареи питания и, таким образом, для обеспечения длительной автономности работы индукционного измерителя без внешнего источника питания. Вторая катушка индукционного модуля используется для определения параметров вращающегося вала относительно индукционного модуля, в том числе и его углового положения относительно фиксированного положения корпуса измерителя с установленным в нем индукционным модулем и преобразователем сигналов.The inductor disk, rigidly mounted on the shaft and rotating together with the shaft relative to the meter body with an induction module and a signal converter, has a predetermined number of target teeth (a gear analog) on the circumference, the passage of each of them under the induction module changes the gap between them. One induction coil of the module is used to recharge a rechargeable power battery and, thus, to ensure long-term autonomy of the induction meter without an external power source. The second coil of the induction module is used to determine the parameters of the rotating shaft relative to the induction module, including its angular position relative to the fixed position of the meter housing with the induction module installed in it and the signal converter.
Известный индукционный измеритель работает следующим образом. Постоянный магнит и ферромагнитный полюс индукционного модуля, создают в зазоре магнитный поток и, в соответствии с законом Фарадея, в индукционных катушках индуцируется ток при изменении пересекающего их витки магнитного потока. Прохождение каждого зуба под ферромагнитным сердечником с индукционными катушками вызывает модуляцию магнитного потока, который замыкается через соответствующий зуб и рабочий зазор на ферромагнитный сердечник. В обмотках двух индукционных катушек наводится электродвижущая сила (ЭДС) и возникают импульсы индукционного тока, которые после выпрямления с выхода одной индукционной катушки используются для подзарядки батареи и, соответственно, для питания преобразователей, микроконтроллера и передачи данных о параметрах вращающегося вала, определенных с помощью второй индукционной катушки. Количество импульсов индукционного тока за один оборот вала будет равно количеству зубов и будет соответствовать обороту вала на 360°. Если положение на валу двух рядом расположенных зубов будет отличаться по каким-либо параметрам от других (например, отличается расстояние между двумя соседними зубами или существенно отличается зазор между- одним зубом и полюсом индукционного модуля), то по этой информации можно определить угловое положение вращающегося вала относительно неподвижно установленного на объекте корпуса измерителя с индукционным модулем и преобразователем сигнала. Сигнал с выхода второй индукционной катушки, в котором заложена информация о параметрах вращающегося индукторного диска, а соответственно, и вала (в том числе и об угловом положении) обрабатывается в микроконтроллере, где определяются значения параметров, передаваемые с помощью телеметрического модуля и антенны в окружающее пространство.Known induction meter works as follows. The permanent magnet and the ferromagnetic pole of the induction module create a magnetic flux in the gap and, in accordance with the Faraday law, a current is induced in the induction coils when the magnetic flux crossing them turns. The passage of each tooth under a ferromagnetic core with induction coils causes modulation of the magnetic flux, which closes through the corresponding tooth and the working gap to the ferromagnetic core. Electromotive force (EMF) is induced in the windings of two induction coils and induction current pulses occur, which, after rectification from the output of one induction coil, are used to recharge the battery and, accordingly, to power the converters, microcontroller and transmit data on the parameters of the rotating shaft, determined using the second induction coil. The number of pulses of induction current per revolution of the shaft will be equal to the number of teeth and will correspond to a rotation of the shaft by 360 °. If the position on the shaft of two adjacent teeth will differ in some parameters from the others (for example, the distance between two adjacent teeth differs or the gap between one tooth and the pole of the induction module differs significantly), then the angular position of the rotating shaft can be determined from this information relatively fixed on the object of the meter body with an induction module and a signal converter. The signal from the output of the second induction coil, which contains information about the parameters of the rotating inductor disk, and, accordingly, the shaft (including the angular position), is processed in the microcontroller, where the values of the parameters transmitted by the telemetry module and antenna to the surrounding space are determined .
К недостатку известного индукционного измерителя следует отнести отсутствие возможности непрерывного контроля его работоспособности.The disadvantage of the known induction meter is the lack of the possibility of continuous monitoring of its performance.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей индукционного измерителя углового положения вращающегося вала за счет дистанционного непрерывного контроля его работоспособности.The problem to which the invention is directed, is to expand the functionality of an induction meter for the angular position of a rotating shaft due to remote continuous monitoring of its performance.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в возможности дистанционной проверки целостности индукционной катушки измерителя и входных электрических цепей по наличию или отсутствию формирующих импульсов в процессе измерений углового положения вращающегося вала.The technical result obtained by the implementation of the claimed invention is the ability to remotely check the integrity of the induction coil of the meter and the input electrical circuits for the presence or absence of forming pulses in the process of measuring the angular position of the rotating shaft.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в заявляемом индукционном измерителе положения вращающегося вала, включающем жестко закрепленный на вращающемся валу 1 индукторный диск 2, связываемый с ним через магнитный поток, размещенный в корпусе измерителя 4 индукционный модуль 5, содержащий постоянный магнит 13 с ферромагнитным полюсом 14 и установленными соосно постоянному магниту 13 и ферромагнитному полюсу 14 двумя индукционными катушками 15 и 16, преобразователем сигнала 7 с фильтром нижних частот 17, и блоком регистрации 8 с микроконтроллером 9 и источником питания 10, в отличие от известного индукционного измерителя индукторный диск 2 выполнен с одним зубом-индуктором 3, а преобразователь сигналов 7 снабжен фильтром верхних частот 18, формирователем импульсов 19, формирователем тестового напряжения 20, генератором тестовых сигналов 21, стабилизатором напряжения 22, причем блок регистрации 8 соединен с преобразователем сигналов 7 четырехконтактным концевым соединителем 12 и снабжен индикатором неисправности 11, при этом выход первой - рабочей индукционной катушки 15 соединен с входами фильтров нижних 17 и верхних 18 частот, выходы которых соединены соответственно с входами формирователя импульсов 19 и формирователя тестового напряжения 20, выход формирователя импульсов 19 соединен через выходной контакт 71 преобразователя сигналов 7 и первый контакт 121 концевого соединителя 12 с первым входом 91 микроконтроллера 9, второй вход 92 которого соединен через выходной контакт 72 преобразователя сигналов 7 и второй контакт 122 концевого соединителя 12 с выходом формирователя тестового напряжения 20, выход генератора тестовых сигналов 21 соединен со второй индукционной катушкой 16, вход стабилизатора напряжения 22 соединен через выходной контакт 73 преобразователя сигналов 7 и третий контакт 123 концевого соединителя 12 с выходом источника питания 10, а выход стабилизатора напряжения 22 - с генератором тестовых сигналов 21, формирователями импульсов 19 и тестового напряжения 20, общая шина 25 соединена с одним из выводов первой 15 и второй 16 индукционных катушек, генератором тестового сигнала 21, стабилизатором напряжения 22, формирователями импульсов 19 и тестового напряжения 20, а также через выходной контакт 74 преобразователя сигналов 7 и четвертый контакт 124 концевого соединителя 12 - с источником питания 10, микроконтроллером 9 и индикатором неисправности 11.The specified technical result during the implementation of the invention is achieved by the fact that in the inventive induction meter of the position of the rotating shaft, including the inductor disk 2 fixed to the rotating shaft 1, connected to it through the magnetic flux located in the
На фиг. 1 представлен корпус измерителя с размещенными в нем индукционным модулем и преобразователем сигнала, и диск с зубом-индуктором, жестко соединенный с вращающимся валом. На фиг. 2 приведена блок - схема индукционного измерителя положения вращающегося вала. На фиг. 3 приведена экспериментальная кривая выходного напряжения индукционной катушки 15 в зависимости от времени при прохождении зуба-индуктора под ферромагнитным полюсом индукционного модуля. На фиг. 4 приведена спектральная характеристика положительной половины записанной экспериментальной кривой выходного напряжения индукционной катушки 15 при прохождении зуба-индуктора 3 под ферромагнитным полюсом 14.In FIG. 1 shows the meter body with an induction module and a signal converter placed in it, and a disk with a tooth-inductor rigidly connected to a rotating shaft. In FIG. 2 shows a block diagram of an induction rotary shaft position meter. In FIG. Figure 3 shows the experimental output voltage curve of the
Индукционный измеритель положения вращающегося вала содержит жестко закрепленный на вращающемся валу 1 индукторный диск 2 с одним зубом-индуктором 3, корпус измерителя 4 с размещенными в нем индукционным модулем 5 и установленным на плате 6 преобразователем сигналов 7, блок регистрации 8, включающий микроконтроллер 9, источник питания 10 и индикатор неисправности 11. Блок регистрации 8 соединен с преобразователем сигналов 7 концевым соединителем 12. Корпус индукционного измерителя 4 устанавливается неподвижно в наиболее рациональном месте с точки зрения решения конкретной технической задачи.The induction meter of the position of the rotating shaft contains an inductor disk 2 with one tooth-
Индукционный модуль 5, размещенный в корпусе измерителя 4, состоит из постоянного магнита 13, ферромагнитного полюса 14, двух индукционных катушек 15 и 16, установленных соосно на ферромагнитном полюсе 14. В состав преобразователя сигналов 7, размещенного на плате 6 в корпусе измерителя 4, входят фильтр нижних частот 17, фильтр верхних частот 18, формирователь импульсов 19, формирователь тестового напряжения 20, генератор тестовых сигналов 21, стабилизатор напряжения 22.The
Индукционные катушки 15 и 16 соединены проводниками 23 и 24 с преобразователем сигналов 7, установленным на плате 6 в корпусе измерителя 4.
Выходные контакты 71 и 72 преобразователя сигналов 7 соединены через контакты 121 и 122 концевого соединителя 12 с микроконтроллером 9 (контакты 71 и 72 преобразователя сигналов 7 соединены соответственно с контактами 121 и 122 концевого соединителя 12 и с входами 91 и 92 микроконтроллера 9), выходной контакт 73 преобразователя сигналов 7 соединен с выходом источника питания 10 через контакт 123 концевого соединителя 12, выходной контакт 74 преобразователя сигналов 7 соединен с общей шиной 25 через контакт 124 концевого соединителя 12.The output contacts 7 1 and 7 2 of the signal converter 7 are connected via
Шина питания 26 соединяет стабилизатор напряжения 22 с генератором тестового сигнала 21, формирователями импульсов 19 и формирователем тестового напряжения 20. Общая шина 25 соединяет в индукционном модуле 5 один из выводов индукционной катушки 15 и один из выводов индукционной катушки 16, а в преобразователе сигналов 7 - генератор тестового сигнала 21, стабилизатор напряжения 22, формирователи импульсов 19 и формирователь тестового напряжения 20, а через выходной контакт 74 преобразователя сигналов 7 и контакт 124 концевого соединителя 12 - с источником питания 10, микроконтроллером 9 и индикатором неисправности 11. Между корпусом измерителя 4 и зубом-индуктором 3 выставлен регулируемый зазор 27.A
Индукционный измеритель положения вращающегося вала работает следующим образом.Induction meter position of the rotating shaft operates as follows.
Постоянный магнит 13 и ферромагнитный полюс 14, расположенные в индукционном модуле 5, создают в зазоре 27 магнитный поток, и в соответствии с законом Фарадея в катушках 15 и 16 индуцируется ток при изменении пересекающего их витки магнитного потока, что происходит при изменении размера зазора 27 между ферромагнитным полюсом 14 и вращающимся индукторным диском 1. Прохождение зуба-индуктора 3 под ферромагнитным полюсом 14 с индукционными катушками 15 и 16 вызывает модуляцию магнитного потока, замыкаемого через зуб-индуктор 3 и зазор 27 на ферромагнитный полюс 14 (вращение вала 1 на рис. 1 против часовой стрелки). В обмотках индукционных катушек 15 и 16 генерируются импульсы индукционного тока, экстремальные значения которых (минимальное отрицательное и максимальное положительное) определяют угловое положение первой 31 и второй 32 боковых граней зуба-индуктора 3 относительно ферромагнитного полюса 14, при этом положительный экстремум соответствует прохождению второй боковой 32 грани 3 (зазор 27 и сопротивление магнитному потоку увеличиваются), т.к. ЭДС, генерируемая в индукционных катушках, определяется известным выражением (Карякин Н.И., Быстрое К.Н., Киреев П.С. Краткий справочник по физике. Изд. 3-е, стереотипн. М., «Высшая школа», 1969. - с 221):The
где е - ЭДС, генерируемая в индукционных катушках 15 и 16; 
Кривая выходного напряжения индукционной катушки 15 в зависимости от времени при прохождении зуба-индуктора 3 под ферромагнитным полюсом 14 представлена на фиг. 3, а спектральная характеристика положительной половины кривой выходного напряжения индукционной катушки 15 - на фиг. 4.The output voltage curve of the
Импульсы индукционного тока 28 с выхода индукционной катушки 15 поступают на фильтр нижних 17 и верхних 18 частот.The pulses of the
Частота среза фильтра нижних частот 17 выбирается ниже (не менее, чем в три раза) максимальной частоты основной части спектра импульса индукционного тока, которая определяется по формулеThe cutoff frequency of the low-
где 
Так как частота среза фильтра нижних частот 17 значительно ниже максимальной частоты спектра импульса индукционного тока, генерируемого в индукционной катушке 15 в результате прохождения зуба-индуктора 3 под ферромагнитным полюсом 14, то через фильтр нижних частот 17 проходит сигнал только в моменты приближения скорости изменения магнитного потока к нулю (т.е. в момент, близкий к максимальному значению импульса индукционного тока), а это соответствует прохождению второй боковой грани 32 зуба-индуктора 3 под ферромагнитным полюсом 14. С выхода фильтра нижних частот 17 сигнал поступает на формирователь импульсов 19, где формируется импульс 29, первый фронт которого соответствует угловому положению второй боковой грани 32 зуба-индуктора 3 под ферромагнитным полюсом 14. Фиксация углового положения индукторного диска 2 осуществляется с помощью микроконтроллера 9, на вход 91 которого поступают импульсы с формирователя импульсов 19.Since the cutoff frequency of the low-
Частота среза фильтра верхних частот 18 выбирается на несколько порядков больше максимальной частоты основного спектра импульса индукционного тока 28, по этой причине импульсы индукционного тока 28, генерируемые в индукционной катушке 15 в результате прохождения зуба-индуктора 3 под ферромагнитным полюсом 14, не проходят через фильтр верхних частот 18 и не поступают на вход формирователя тестового напряжения 20.The cutoff frequency of the high-
Для дистанционной проверки целостности индукционных катушек 15 и 16 и входных электрических цепей формирователей импульсов 19 и тестового напряжения 20 в процессе измерений углового положения вращающегося вала 1 с выхода генератора тестовых сигналов 21 на индукционную катушку 16 подается переменное напряжение (соответственно в индукционной катушке 16 протекает переменный ток), частота которого выше частоты среза фильтра верхних частот 18 и выше на несколько порядков максимальной частоты основного спектра импульса индукционного тока 29, генерируемого в индукционной катушке 15 в результате прохождения зуба-индуктора 3 под ферромагнитным полюсом 14. Переменный ток в индукционной катушке 16 приводит к появлению переменного магнитного потока и за счет взаимной индукции в индукционной катушке 15 наводится напряжение индукционного тока, частота которого равна частоте напряжения на выходе генератора тестовых сигналов 21. Возникающее напряжение индукционного тока за счет высокого значения частоты не проходит через фильтр нижних частот 17, но проходит через фильтр верхних частот 18, после которого с помощью формирователя тестового напряжения 20 последовательность импульсов с частотой генератора тестовых сигналов 21 преобразуется в постоянное напряжение, значение которого равно напряжению на выходе стабилизатора напряжения 22. Постоянное напряжение с выхода формирователя тестового напряжения 20 поступает на вход 92 микроконтроллера 9. По сигналам, поступающим на входы 91 и 92 микроконтроллера 9, проводится анализ целостности индукционных катушек 15 и 16, а также входных электрических цепей формирователей импульсов 19 и тестового напряжения 20, при этом возможны несколько вариантов сочетания сигналов:To remotely check the integrity of the induction coils 15 and 16 and the input electrical circuits of the
1) на входы 91 и 92 поступают сигналы с выходов формирователей импульсов 19 и тестового напряжения 20, в этом случае подтверждается целостность цепей индукционных катушек 15 и 16 и правильность работы формирователей импульсов 19 и тестового напряжения 20, на индикатор неисправности 11 выдается команда об исправной работе индукционного измерителя положения вращающегося вала;1) the inputs from the outputs of the
2) на входы 91 и 92 не поступают сигналы с выходов формирователей импульсов 19 и тестового напряжения 20, в этом случае произошло нарушение целостности цепей индукционных катушек 15 и 16 или произошли сбои работы формирователей импульсов 19 и тестового напряжения 20, на индикатор неисправности 11 выдается команда о существовании неисправности в работе индукционного измерителя положения вращающегося вала;2) the inputs from the outputs of the
3) на вход 91 поступают сигналы с выхода формирователя импульсов 19, а на вход 92 - не поступает постоянное напряжение с выхода формирователя тестового напряжения 20, в этом случае при целостности цепи индукционной катушки 15 нарушена целостность цепи индукционной катушки 16 или возникла неисправность в работе формирователя тестового напряжения 20, в результате на индикатор неисправности 11 выдается команда о существовании неисправности в работе индукционного измерителя положения вращающегося вала;3) the
4) на вход 91 не поступают сигналы с выхода формирователя импульсов 19, но на вход 92 поступает постоянное напряжение с выхода формирователя тестового напряжения 20, в этом случае при целостности цепей индукционных катушек 15 и 16 возникла неисправность в работе формирователя сигналов 19, и на индикатор неисправности 11 выдается команда о существовании неисправности в работе индукционного измерителя положения вращающегося вала;4)
На нашем предприятии был изготовлен экспериментальный образец заявляемого индукционного измерителя положения вращающегося вала со следующими элементами.At our enterprise, an experimental sample of the inventive induction meter for the position of a rotating shaft with the following elements was manufactured.
Корпус индукционного измерителя 4 с размещенными в нем индукционным модулем 5 и установленным на плате 6 преобразователем сигналов 7:The body of the
- внешний диаметр 20 мм, материал 12Х18Н10Т,- outer diameter of 20 mm, material 12X18H10T,
- длина вместе с разъемом 80 мм,- length with connector 80 mm,
- 2 постоянных магнита 13 (неодим-железо-бор), каждый имеет диаметр - 15 мм, высоту 10 мм;- 2 permanent magnets 13 (neodymium-iron-boron), each has a diameter of 15 mm, a height of 10 mm;
- ферромагнитный полюс 14, материал - сталь 20X13, длина 14 мм, диаметр 6 мм;-
- первая (рабочая) катушка 15:- first (working) coil 15:
длина катушки 8 мм;
ширина катушки 3 мм;
количество витков 544;the number of turns 544;
диаметр провода с лаковым покрытием 0,22 мм;diameter of the wire with varnish 0.22 mm;
длина провода - ≈ 15,38 м;wire length - ≈ 15.38 m;
материал провода - медь;wire material - copper;
- вторая (тестирующая) катушка 16- second (testing)
длина катушки 8 мм;
ширина катушки 1,2 мм;coil width 1.2 mm;
количество витков 272;the number of turns 272;
диаметр провода с лаковым покрытием - 0,22 мм;diameter of the wire with varnish coating - 0.22 mm;
длина провода - ≈ 11,37 м;wire length - ≈ 11.37 m;
материал провода - медь;wire material - copper;
- преобразователь сигналов 7 выполнен на двусторонней печатной плате 6 с размерами 10×11 мм2 с применением ЧИП-элементов для поверхностного монтажа с использованием фильтра нижних частот второго порядка 17 (частота среза 160 Гц) и верхних частот второго порядка 18 (частота среза 16 кГц);- signal converter 7 is made on a double-sided printed
- частота генератора 21 тестовых сигналов 32 кГц;-
- источник питания 10+27 В 6;-
- стабилизатор напряжения 22+5 В.-
Визуализация процессов осуществлялась двухлучевым запоминающим осциллографом (изображения сигналов представлены на фиг. 3).Visualization of the processes was carried out by a two-beam storage oscilloscope (signal images are presented in Fig. 3).
Установка, на которой проводились испытания опытного образца заявляемого индукционного измерителя положения вращающегося вала, имела следующие параметры:The installation on which tests were carried out on a prototype of the inventive induction rotary shaft position meter had the following parameters:
- диск 2 диаметром 240 мм, жестко соединенный с вращающимся валом 1,- disk 2 with a diameter of 240 mm, rigidly connected to the rotating shaft 1,
- частота вращения диска 2 изменялась от 1 Гц до 20 Гц;- the rotation frequency of the disk 2 varied from 1 Hz to 20 Hz;
- зуб-индуктор 3, установленный на диске 2, имеет высоту 10 мм и длину плоскости, проходящей под ферромагнитным полюсом 14-10 мм;- the
- зазор 27 между зубом-индуктором 3 и ферромагнитным полюсом 14-3 мм;- a
- угловое положение зуба-индуктора 3 относительно корпуса 4 измерителя определялось с помощью оптической системы, которая фиксировала с помощью первого канала запоминающего осциллографа прохождение задней плоскости зуба-индуктора 3 относительно ферромагнитного полюса 14, второй канал запоминающего осциллографа подключался к выходу формирователя импульсов 19.- the angular position of the tooth-
Программа экспериментальных исследований состояла из двух этапов.The experimental research program consisted of two stages.
На первом этапе проверялась возможность работы индукционного измерителя положения вращающегося вала в диапазоне работы его угловых скоростей. С этой целью изменялась угловая скорость вращения вала 1 и фиксировалось с помощью второго канала запоминающего осциллографа положение импульсного сигнала с выхода формирователя импульсов 19 при прохождении второй боковой грани 32 зуба-индуктора 3 относительно ферромагнитного полюса 14. Определялось отклонение фронта импульсного сигнала 29 с выхода формирователя импульсов 19 от заднего фронта сигнала, полученного с помощью эталонной оптической системы, определяющей с более высокой точностью угловое положение второй боковой грани 32 зуба-индуктора 3.At the first stage, the possibility of operation of an induction measuring device for the position of a rotating shaft in the range of its angular velocities was checked. To this end, the angular velocity of rotation of the shaft 1 was changed and the position of the pulse signal from the output of the
На втором этапе в индукционный измеритель положения вращающегося вала искусственно вводились различные неисправности и анализировались сигналы на выходах формирователей импульсов 19 и тестового напряжения 20.At the second stage, various faults were artificially introduced into the induction rotary shaft position meter and the signals at the outputs of the
Результаты экспериментальных исследований опытного образца индукционного измерителя положения вращающегося вала представлены ниже в виде таблицы (первый этап исследований) и полученных результатов влияния различных искусственных неисправностей с соответствующими выводами (второй этап исследований).The results of experimental studies of a prototype of an induction measuring device for the position of a rotating shaft are presented below in the form of a table (the first stage of research) and the results of the influence of various artificial faults with the corresponding conclusions (second stage of research).
Из таблицы видно, что отклонение переднего (левого) фронта импульса, сформированного формирователем импульсов 19, и заднего фронта импульса, полученного с помощью эталонной оптической системы, не превышает 0,45 угл. град.The table shows that the deviation of the leading (left) edge of the pulse generated by the
На втором этапе экспериментальных исследований в процессе работы индукционного измерителя положения вращающегося вала на частоте вращения вала 5 Гц с выхода генератора тестовых сигналов 21 подавалась частота 32 кГц на вторую тестирующую катушку 16. С помощью фильтров нижних 17 и верхних 18 частот второго порядка проводилось разделение сигналов на выходе первой (рабочей) катушки 15, которые поступали на формирователи импульсов 19 и тестового напряжения 20. С помощью двухканального запоминающего осциллографа определялось наличие сигналов, если не происходило никаких сбоев в работе устройства.At the second stage of experimental studies, during the operation of the induction measuring device for the position of the rotating shaft at a shaft rotation frequency of 5 Hz, a frequency of 32 kHz was supplied from the output of the
В первом эксперименте не вводились искусственные неисправности в цепи индукционных катушек 15 и 16, и оба сигнала отображались на экране запоминающего осциллографа.In the first experiment, artificial faults were not introduced in the circuit of
Во втором эксперименте нарушалась целостность первой (рабочей) индукционной катушки 15. На выходах формирователя импульсов 19 и формирователя тестового напряжения 20 отсутствовали сигналы (импульсный на выходе формирователя 19 и постоянное напряжение +5 В на выходе формирователя тестового напряжения 20), с помощью которых необходимо определять положение зуба-индуктора 3 относительно ферромагнитного полюса 14 и целостность цепей индукционных катушек 15 и 16.In the second experiment, the integrity of the first (working)
В третьем эксперименте нарушалась целостность второй (тестирующей) индукционной катушки 16. В этом случае на выходе формирователя импульсов 19 наблюдался импульс на экране осциллографа при прохождении зуба-индуктора 3 под фероромагнитным полюсом 14, а постоянное напряжение +5 В на выходе формирователя тестового напряжения 20 не наблюдалось. Сделан вывод о неправильной работе системы для определения работоспособности устройства.In the third experiment, the integrity of the second (testing)
Таким образом, видно, что приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления индукционного измерителя положения вращающегося вала, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.Thus, it is seen that the above information confirms the possibility of implementing an induction meter for the position of the rotating shaft, to achieve the specified technical result and solve the problem.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019108333A RU2704672C1 (en) | 2019-03-21 | 2019-03-21 | Rotary shaft position measuring instrument |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019108333A RU2704672C1 (en) | 2019-03-21 | 2019-03-21 | Rotary shaft position measuring instrument |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2704672C1 true RU2704672C1 (en) | 2019-10-31 |
Family
ID=68500603
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019108333A RU2704672C1 (en) | 2019-03-21 | 2019-03-21 | Rotary shaft position measuring instrument |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2704672C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU354442A1 (en) * | ||||
| US4972332A (en) * | 1987-07-28 | 1990-11-20 | Caterpillar Inc. | Apparatus for determining the speed, angular position and direction of rotation of a rotatable shaft |
| RU19587U1 (en) * | 2001-05-17 | 2001-09-10 | Открытое акционерное общество "Калужский завод электронных изделий" (ОАО "Автоэлектроника") | CONTACTLESS SHAFT ANGULAR SENSOR |
| WO2012158342A2 (en) * | 2011-05-18 | 2012-11-22 | Honeywell International Inc. | Self-powered wireless induction sensor |
-
2019
- 2019-03-21 RU RU2019108333A patent/RU2704672C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU354442A1 (en) * | ||||
| US4972332A (en) * | 1987-07-28 | 1990-11-20 | Caterpillar Inc. | Apparatus for determining the speed, angular position and direction of rotation of a rotatable shaft |
| RU19587U1 (en) * | 2001-05-17 | 2001-09-10 | Открытое акционерное общество "Калужский завод электронных изделий" (ОАО "Автоэлектроника") | CONTACTLESS SHAFT ANGULAR SENSOR |
| WO2012158342A2 (en) * | 2011-05-18 | 2012-11-22 | Honeywell International Inc. | Self-powered wireless induction sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106537164B (en) | For detecting the method and system of rotor fault | |
| CA2676761C (en) | Self-testing sensor | |
| US20120216631A1 (en) | Force measuring system, method for measuring forces and torques on a rotating body and wind tunnel with a model arranged therein and comprising at least one propeller with a force measuring system | |
| CN203572875U (en) | Current detection device for large direct current charge-discharge facility | |
| CN103091535A (en) | Proximity current sensing device and method | |
| CN110068790B (en) | Electric energy meter misalignment detection device based on household meter identification and hierarchical calculation | |
| CN103913590A (en) | Track traffic rotation speed sensor based on magnetism principle | |
| CN110186510B (en) | A kind of rotating machinery fault diagnosis method and rotating machinery equipment | |
| US7880423B2 (en) | Method and apparatus for stepper motor stall detection | |
| RU2704672C1 (en) | Rotary shaft position measuring instrument | |
| CN106982020B (en) | Utilize the method and system of servo-driver evaluation motor cogging torque size | |
| CN208888303U (en) | Wire current measuring system | |
| CN203337157U (en) | Log calibration processing device and vehicle | |
| CN110887522B (en) | Magnetic focusing type rotation speed and torque integrated sensor and rotation speed and torque calculation method | |
| CN102309845B (en) | 400m standard ground track field lane line side-stepping detector | |
| RU2231750C2 (en) | Method of and device for measuring parameters of movement of turbomachinerotor blade and faces | |
| CN102967719A (en) | Test method of manual rocking-turn rotating speed of aero-engine | |
| CN107907727A (en) | Double-iron core closed-loop current sensors | |
| CN210486959U (en) | A magnetic focusing speed and torque integrated sensor | |
| CN205067519U (en) | Engine cam speed sensor | |
| CN103604952B (en) | Critical interruption tachometer static performance detection method | |
| CN206657090U (en) | A kind of motor detection apparatus | |
| CN112268567A (en) | Engine sensor detection tool, detection system and detection method | |
| RU2001128250A (en) | The method of measuring the motion parameters of the ends of the blades of the rotor of a turbomachine and a device for its implementation | |
| CN204103678U (en) | Motor with speed/angle sensor for residual magnetism detection |