Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах управления и контроля различных объектов повышенного быстродействия.

Известно устройство [1], которое может осуществлять контроль частоты вращения и которое состоит из датчиков частоты вращения, формирователей сигналов защиты в виде резонансных контуров с релейными усилителями, источника частотного сигнала проверки и переключателя. В устройстве предусмотрена поканальная проверка его работоспособности, в том числе целостности его датчиковых цепей.

Первым существенным недостатком рассматриваемого устройства является то, что оно имеет низкую точность контроля частоты вращения, ибо точность этого устройства определяется параметрами резонансных контуров, состоящих из конденсаторов и дросселей, временные и температурные нестабильности которых составляют несколько процентов.

Вторым существенным недостатком этого устройства является его низкое быстродействие, обусловленное значительным временем, необходимым для "раскачки" сигнала в резонансном контуре до номинального уровня амплитуды.

Наиболее близким по технической сущности - прототипом - является устройство, приведенное в [2]. Это устройство состоит из датчика частоты вращения, формирователя импульсов, блока измерения, блока анализа информации, блока управления, первого формирователя имитационных сигналов, при этом блок анализа информации помимо выполнения алгоритмов контроля частоты вращения осуществляет анализ реакции устройства на имитационные сигналы, реализуя тем самым функции блока запоминания результатов проверки, компаратора, логической схемы И, блока уставок и блока элементов И, а в состав блока управления входят два триггера, логический элемент 2 ИЛИ, генератор тактовых импульсов, распределитель импульсов и блок начальной установки.

В устройстве обеспечивается проверка электрического соединения обмотки датчика с входом формирователя импульсов, что позволяет заблаговременно обнаружить обрыв датчиковых цепей.

Первым существенным недостатком этого устройства является то, что в нем не предусмотрена проверка отсутствия коротких замыканий в датчиковых цепях устройства. Такие замыкания приводят к прерыванию подачи сигналов датчика на вход формирователя импульсов и тем самым к срыву работы рассматриваемого устройства.

Вторым существенным недостатком этого устройства является то, что после окончания проверки электрического соединения датчика с формирователем импульсов выход первого формирователя имитационных сигналов не отключается от датчиковых цепей, вследствие чего отказ этого формирователя, сопровождаемый генерированием имитационных сигналов, приводит к отказу всего рассматриваемого устройства.

Таким образом, оба эти недостатка прототипа приводят к понижению надежности измерения и контроля частоты вращения.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности устройства для контроля частоты вращения.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство для контроля частоты вращения, содержащее датчик частоты вращения, формирователь импульсов, блок измерения, блок анализа информации, блок управления и первый формирователь имитационных сигналов, причем первый вход блока управления является входом "Запуск проверки", первый выход датчика частоты вращения соединен с первым входом формирователя импульсов, выход которого подключен к второму входу блока управления и через блок измерения и блок анализа информации - к сигнальному выходу устройства, первый выход блока управления соединен со входом первого формирователя имитационных сигналов, второй выход которого подключен к общей шине питания, введены резистор, два электронных ключа и второй формирователь имитационных сигналов, причем второй выход блока управления соединен со входом первого электронного ключа, первый выход которого подключен к второму входу формирователя импульсов и через резистор соединен с общей шиной питания и вторым выходом датчика частоты вращения, второй выход первого электронного ключа соединен с первым выходом первого формирователя имитационных сигналов, третий выход блока управления соединен со входом второго электронного ключа, первый выход которого подключен к первому входу формирователя импульсов, а второй выход - к первому выходу второго формирователя имитационных сигналов, второй выход которого подключен к общей шине питания, а вход - к четвертому выходу блока управления.

Суть предлагаемого изобретения поясняется фиг.1-6 и таблицей, в которой приведен перечень проверок датчиковых и имитационных цепей.

На фиг.1-6 представлены:

фиг.1 - блок-схема предлагаемого устройства для контроля частоты вращения;

фиг.2 - схема проверки отсутствия обрывов в датчиковых цепях;

фиг.3 - схема проверки отсутствия замыканий в датчиковых цепях;

фиг.4 - функциональная схема одного из вариантов реализации предлагаемого устройства;

фиг.5 - функциональная схема формирователя имитационных сигналов, вырабатывающего двухполярные сигналы;

фиг.6 - временные диаграммы, поясняющие работу формирователя, представленного на фиг.5.

В состав предлагаемого устройства для контроля частоты вращения (фиг.1) входят датчик частоты вращения 1, резистор 2, формирователь импульсов 3, блок измерения 4, блок анализа информации 5, блок управления 6, первый 7 и второй 8 электронные ключи, первый 9 и второй 10 формирователи имитационных сигналов, причем первый вход блока управления 6 является входом "Запуск проверки" 11, первый выход датчика частоты вращения 1 соединен с первым входом формирователя импульсов 3, выход которого подключен к второму входу блока управления 6 и через блок измерения 4 и блок анализа информации 5 - к сигнальному выходу 12 устройства, первый выход блока управления 6 соединен со входом первого формирователя имитационных сигналов 9, второй выход которого подключен к общей шине питания, второй выход блока управления 6 соединен со входом первого электронного ключа 7, первый выход которого подключен к второму входу формирователя импульсов 3 и через резистор 2 соединен с общей шиной питания и вторым выходом датчика частоты вращения 1, второй выход первого электронного ключа 7 соединен с первым выходом первого формирователя имитационных сигналов 9, третий выход блока управления 6 соединен со входом второго электронного ключа 8, первый выход которого подключен к первому входу формирователя импульсов 3, а второй выход - к первому выходу второго формирователя имитационных сигналов 10, второй выход которого подключен к общей шине питания, а вход - к четвертому выходу блока управления 6.

В тексте описания и на фиг.2-5 приняты следующие обозначения:

e₁, e₂ - напряжения имитационных сигналов, используемых при проверках отсутствия соответственно обрывов и коротких замыканий в датчиковых цепях;

I_вх1, I_вх2 - входные токи формирователя импульсов 3, обусловленные напряжениями соответственно e₁, e₂;

ОБР.1, ОБР.2 - предполагаемые обрывы датчиковых цепей;

КЗ.1 -КЗ.2 - предполагаемое короткое замыкание датчиковых цепей;

E₁, Е₂ - источники напряжения постоянного тока;

13 - блок начальной установки (БНУ);

14, 18 - микросхемы 5 64ИЕ 15;

15, 19 - микросхема 564ТМ2;

16, 29 - микросхемы 564ИЕ9;

17, 28 - генераторы сигналов эталонной частоты (GN);

20, 26, 27 - логические элементы ИЛИ;

21 - логический элемент 2И;

22-25 - логические элементы ИЛИ -НЕ;

30, 32 - логические элементы НЕ;

31, 33 - микросхема 590КН9;

f_эт - частота сигналов генераторов GN;

f_такт - частота тактовых импульсов;

f_имит - частота имитационных сигналов;

τ _эт - длительность импульсов на выходах счетчиков 14 и 18 (τ _эт=1/f_эт);

R2 - R5 - резисторы, задающие величину тока в цепях имитационных сигналов;

А(1) - сигналы, вырабатываемые датчиком частоты вращения 1;

R_кл - сопротивление электронных ключей 7 и 8 в открытом состоянии;

R_д, Z_д, L - соответственно активное, комплексное сопротивления и индуктивность обмотки датчика 1;

U_cp - напряжение срабатывания формирователя импульсов 3;

U₂ - напряжение имитационных сигналов, подаваемое на вход формирователя импульсов 3;

I_k - ток в цепях имитационных сигналов;

САЗ - система аварийной защиты.

В предлагаемом устройстве при замыкании контактов первого электронного ключа 7 и включении первого формирователя имитационных сигналов 9 (фиг.2) осуществляется проверка отсутствия обрывов в датчиковых цепях устройства. При этом первый формирователь имитационных сигналов 9 вырабатывает сигналы с напряжением e₁, которое создает на входе формирователя импульсов 3 ток I_вх1, и измерительная часть устройства, состоящая из формирователя импульсов 3, блока измерения 4 и блока анализа информации 5, будет реагировать на эти имитационные сигналы.

Если же в датчиковых цепях устройства будет иметь место один или несколько обрывов (например, в точках ОБР.1, ОБР.2), то входной ток I_вx1 будет отсутствовать и измерительная часть устройства не будет отвечать на имитационные сигналы, что будет свидетельствовать о наличии обрыва в датчиковых цепях устройства.

При замыкании контактов электронного ключа 8 и включении второго формирователя имитационных сигналов 10 (фиг.3) осуществляется проверка отсутствия коротких замыканий в датчиковых цепях. При этом второй формирователь имитационных сигналов 10 вырабатывает сигналы с напряжением е₂, которое создает на входе формирователя импульсов 3 ток I_вx2 и измерительная часть устройства будет реагировать на эти имитационные сигналы.

Если же в датчиковых цепях возникнет короткое замыкание между токоведущими проводами (например, электрическое соединение точек К3.1 и К3.2), то вход формирователя импульсов 3 окажется блокированным и ток I_вx2 не будет поступать на его вход, измерительная часть устройства не будет реагировать на имитационные сигналы е₂, что будет свидетельствовать о наличии короткого замыкания в датчиковых цепях.

В предлагаемом устройстве формирователи 9 и 10 должны вырабатывать имитационные сигналы, имеющие противоположные полярности. При этом полярность сигналов определяется относительно общей шины питания устройства.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При подаче на устройство напряжения питания происходит установка блока управления 6 в исходное состояние и на всех четырех его выходах будут запрещающие сигналы.

Процесс проверки датчиковых цепей начинается с поступлением на первый вход блока управления 6 запускающего сигнала, который может быть внешним импульсом, приходящим на вход 11 устройства, или внутренним импульсом, вырабатываемым блоком анализа информации 5 или дополнительным блоком, входящим в блок управления 6, например, одновибратором, формирующим запускающий сигнал после окончания установки блока управления 6 в исходное состояние (на блок-схеме фиг.1 связь блока анализа информации 5 с первым входом блока управления 6 не показана). После запуска блок управления 6 начинает формировать управляющие сигналы, которые по определенной программе замыкают контакты электронных ключей 7 и 8 и включают формирователи имитационных сигналов 9 и 10. При этом должны обеспечиваться как проверки состояния датчиковых цепей, так и подтверждение того, что электронные ключи 7 и 8 размыкаются, а формирователи имитационных сигналов 9 и 10 выключаются. Кроме того, проверки датчиковых цепей должны осуществляться только тогда, когда контролируемый объект, на котором установлен датчик частоты вращения 1, не работает и в обмотке этого датчика не индуцируются сигналы.

В качестве примера на фиг.4 представлен один из вариантов реализации предлагаемого устройства, в котором проверки датчиковых и имитационных цепей осуществляются в соответствии с таблицей. При этом в таблице знаком "+" отмечены замыкания контактов ключей 7 и 8 и работа формирователей имитационных сигналов 9 и 10.

В устройстве, приведенном на фиг.4, при включении питания блок начальной установки 13 вырабатывает короткий импульс, который, пройдя через схему 3 ИЛИ 20, устанавливает триггер 15 в исходное состояние. При этом положительный сигнал с его инверсного выхода подается на R-вход счетчика-дешифратора 16, на всех выходах (кроме выхода "0") которого будут запрещающие сигналы, соответствующие логическому "0".

Одновременно с этим при включении питания начинает работать генератор 17, вырабатывающий импульсы эталонной частоты (например, частоты f_эт=1 мГц). Однако эти импульсы на входы счетчиков 14 и 18 не поступают, поскольку выход генератора 17 блокируется сигналом с прямого выхода триггера 15.

При поступлении на вход 11 "Запуск проверки" сигнала происходит включение триггера 15, на выходах которого появляются разрешающие сигналы. Импульсы с генератора 17 начинают поступать на входы счетчиков 14 и 18, которые вырабатывают узкие импульсы (τ _эт=1 мкс) низкой частоты, равной соответственно f_такт и 21_имит.

Сигналы с выхода счетчика 14 поступают на вход счетчика-дешифратора 16, на выходах которого последовательно формируются управляющие импульсы, обеспечивающие работу устройства в соответствии с упомянутой выше таблицей.

Сигналы с выхода счетчика 18 поступают на триггер 19, работающий в режиме деления. На выходе этого триггера формируются управляющие импульсы с частотой, равной частоте имитационных сигналов f_имит, и длительностью, равной паузе. Эти импульсы через логические схемы 2 ИЛИ 26 и 27 поступают на входы электронных ключей, установленных в формирователях имитационных сигналов 9 и 10. На время замыкания контактов этих ключей и соответствующих ключей 7 и 8 в цепях проверки протекают токи I_вx1 и I_вx2, обусловленные наличием в этих цепях источников напряжения постоянного тока Е₁,Е₂. Причем контакты упомянутых электронных ключей замыкаются при подаче на их входы импульсов, соответствующих логическому "0".

Проверки датчиковых цепей заканчиваются при появлении импульса на выходе "6" счетчика-дешифратора 16. Этот импульс поступает через логический элемент 3 ИЛИ 20 на R-вход триггера 15 и устанавливает его в исходное состояние.

Процесс проверки датчиковых цепей может закончиться раньше, на первом такте проверки, если проверка начнется во время работы исследуемого объекта. В этом случае сигналы датчика частоты вращения 1 будут поступать на вход формирователя 3, выходные импульсы которого будут поданы на первый вход логической схемы 2 И 21, и так как на ее втором входе будет логическая "1", то эта схема сформирует выходной сигнал, который, пройдя через логическую схему 3 ИЛИ 20, установит триггер 15 в исходное состояние.

В предлагаемом устройстве в качестве датчика частоты вращения 1 может быть использован один из индукционных импульсных датчиков частоты вращения [3], например преобразователь частоты вращения ОГ 018 Bm2.780.018, в качестве формирователя импульсов 3 - микросхема 522КН2 бКО.347.122 ТУ, в качестве блока измерения 4 - преобразователь периода в код, приведенный в [4], в качестве блока анализа информации 5 - один из выпускаемых промышленностью микропроцессоров, например 1806ВМ2 бКО.347.456ТУ.

Блок управления 6 может быть выполнен на микросхемах серии 564 6КО.347.064 ТУ. При этом в качестве блока начальной установки 13 (фиг.4) может быть использован один из одновибраторов, приведенных в [5]. Запуск такого одновибратора должен осуществляться от RC-цепи, подключенной к шинам питания. В качестве генератора сигналов эталонной частоты 17 может быть использован кварцевый генератор, схема которого приведена на чертеже 356 [5].

В качестве формирователей имитационных сигналов 9 и 10 может быть использован один из генераторов, управляемых внешним сигналом, например генератор, схема которого приведена на чертеже 353 [5], или схемы, в которых осуществляется управляемая коммутация цепей источников напряжения постоянного тока с помощью электронных ключей. На фиг.4 представлен один из простых вариантов этих схем, обеспечивающий получение однополярного имитационного сигнала. На фиг.5 приведена схема формирователя имитационных сигналов, вырабатывающего двухполярные сигналы, которые в первом приближении могут быть аналогами сигналов датчика частоты вращения 1 (фиг.6).

В качестве электронных ключей 7 и 8 могут быть использованы микросхемы 590 КН9 6КО.347.000-10 ТУ, представляющие собой аналоговые ключи, имеющие в открытом состоянии сопротивление R_кл≤_{10 Ом и пропускающие в этом состоянии сравнительно большой (до ± 40 мА) ток в обоих направлениях. Эти микросхемы могут быть применены также в формирователях имитационных сигналов 9 и 10 (фиг.4 и 5).}

Использование в предлагаемом устройстве электронных ключей с такими параметрами позволяет реализовать проверку цепей датчиков частоты вращения, обладающих малым внутренним комплексным сопротивлением, что значительно расширяет номенклатуру датчиков, которые пригодны для применения в устройстве.

Последнее утверждение иллюстрируется следующим примером. Пусть в предлагаемом устройстве используется датчик ОГ 025, обмотки которого имеют сопротивление R_д=(108-132) Ом (120≈ Ом, индуктивность L≈ 15 мГн, и осуществляется проверка отсутствия короткого замыкания в датчиковых цепях (фиг.3), причем частота имитационных сигналов f_имит=300 Гц, напряжение источника Е₂=10 В, напряжение срабатывания формирователя импульсов 3 равно U_cp=0,7 В, а сопротивление резистора 2 значительно меньше входного сопротивления формирователя импульсов 3.

Комплексное сопротивление обмотки датчика определяется:

То есть в данном случае для упрощения можно считать Z_д≈_{Rд=120 Ом. Учитывая, что сопротивление обмотки датчика значительно меньше входного сопротивления формирователя импульсов 3, можно пренебречь током Iвx2 (фиг.3) и считать, что контур, по которому проходит ток имитационных сигналов Iк, состоит из последовательно соединенных (фиг.4) источника напряжения Е2, резистора R3, двух замкнутых ключей и обмотки датчика 1. При этом на вход формирователя импульсов 3 должно подаваться напряжение U2, которое выделяется на обмотке датчика 1:}

Условием срабатывания формирователя импульсов 3 является:

Из выражений (1) и (2) определяется величина подстроенного резистора R₃:

Значение тока I_к будет равно:

Для обеспечения надежного срабатывания формирователя импульсов 3 необходимо подавать на его вход напряжение U₂≈_{1,5 Ucp, для чего потребуется ток Iк≈1,5-5,8 мА=8,7 мА.}

Таким образом, для обеспечения проверки отсутствия короткого замыкания в цепях датчика ОГ 025, обмотки которого имеют относительно малое сопротивление, необходимо передать по имитационным цепям ток I_к ≈ 8,7 мА. Такой ток не могут обеспечить генераторы, приведенные в [5]. Эту задачу могут выполнить предложенные формирователи имитационных сигналов 9 и 10.

В качестве источников напряжения постоянного тока E₁ и Е₂ могут быть использованы двухполярные источники, от которых осуществляется питание электронных ключей 7 и 8.

Предлагаемое устройство предназначено для применения прежде всего в системах аварийной защиты (САЗ) энергонасыщенных объектов, например жидкостных ракетных двигателей. При этом после сборки таких систем на объекте не представляется возможным осуществить проверку сопряжения датчиков частоты вращения с соответствующей измерительной частью устройства, так как для такой проверки необходимо включить в работу контролируемый объект, что, как правило, является недопустимым. Поэтому после сборки САЗ на объекте нет уверенности, что в датчиковых цепях отсутствуют обрывы и короткие замыкания, которые могут быть вызваны неправильным соединением разъемов, обрывами проводов, распаянных в этих разъемах, попаданием посторонних предметов в зону соединения разъемов и другим.

Предлагаемое устройство позволяет, не включая контролируемый объект в работу, проверить отсутствие обрывов и коротких замыканий в датчиковых цепях и тем самым повысить надежность устройства для контроля частоты вращения.

Литература:

1. Авторское свидетельство №1257246, МПК F 01 D 21/02.

2. Патент RU №2003108, МПК G 01 Р 3/48 - прототип.

3. Датчики теплофизических и механических параметров. Справочник. Под общей редакцией Ю.Н.Коптева. Том 2, М., издательское предприятие редакции журнала "Радиотехника", 2000 г., стр. 560.

4. Патент RU N2178908, МКП G 04 F 10/04.

5. ОСТ 11 340.907-80. Микросхемы интегральные. Серия 564. Руководство по применению.