Digital rotation meter

Full Text

Введение Измерители частоты вращения широко используется на автомобилях, тракторах, сельхозмашинах, строительной технике, различном оборудовании и т. д. для управления их работой, при диагностировании. При этом они выпускаются различными по конструкции в зависимости от требований к ним, основными из которых являются простота, дешевизна, надежность, точность измерения, универсальность, линейная статическая характеристика. Авторами разработан цифровой универсальный измеритель частоты вращения, конструкция которого изложена ниже. Целью исследований является проверка работоспособности предложенного универсального цифрового измерителя частоты вращения. Методы и средства проведения исследований Цифровой универсальный измеритель частоты вращения устанавливается вблизи вращающихся зубчатого колеса, шлицевого вала, специального диска с прорезями и др. на расстоянии 2 - 3 мм. Датчик 1 (рис. 1) выполнен в виде катушки 2 индуктивности с магнитным сердечником 3. В качестве формирователя напряжений на выходе датчика 1 применены первая дифференцирующая цепь 4 с первым отсекающим диодом 5, входом подсоединенная к катушке 2 индуктивности датчика 1 частоты вращения, вторая дифференцирующую цепь 6 со вторым отсекающим диодом 7, автоколебательный мультивибратор 8, логические элементы И 44 и И-НЕ 51, 52, электронный суммирующий счетчик импульсов 11. Рис. 1. Электрическая схема цифрового измерителя частоты вращения Fig. 1. Electrical circuit of a digital speed meter Параметры указанных приборов измерителя рассчитываются. В качестве примера рассчитаем элементы дифференцирующей цепи 6 мультивибратора 8 при условии, что мультивибратор формирует на выходе прямоугольные импульсы напряжения длительностью, равной одной секунде. Тогда принимаем, что постоянная времени дифференцирующей цепи должна быть равной для обеспечения надежной работы системы 20 % длительности прямоугольного импульса на выходе автоколебательного мультивибратора 8 с постоянной времени Т = 0,2×1= 0,2 с. Принимаем, что резистор 9 выбран с сопротивлением R9 =104 Ом. Тогда постоянная времени дифференцирующей цепи 6 вычисляется по формуле . (1) Отсюда находим второй параметр дифференцирующей цепи 6, а именно емкость конденсатора C10 (2) Регистраторами и формирователями импульсов в измерителе служат: шестнадцатиразрядный суммирующий электронный счетчик 11 с выходами 12-27, соединенными со светоизлучающими диодами 28-43; логический элемент И 44 со входами 45 и 46, первым входом 45 соединенный с первой дифференцирующей цепью 4. При этом выход первого логического элемента И 44 посредством первого резистора 47 соединен со счетным входом счет-чика 11. Вход второй дифференцирующей цепи 6 и второй вход 46 логического элемента И 44 параллельно соединены с выходом автоколебательного мультивибратора 8, а вход установки нуля счетчика 11 параллельно соединен с выходом второй дифференцирующей цепи 6. Первая дифференцирующая цепь 4 имеет два резистора 48, 49 и конденсатор 50. Вторая дифференцирующая цепь 6 имеет конденсатор 10 и резистор 9. Автоколебательный мультивибратор 8 имеет первый логический элемент И - НЕ 51, второй логический элемент И - НЕ 52, первый конденсатор 53, второй конденсатор 54, первый диод 55, второй диод 56, первый резистор 57, второй резистор 58. Автоколебательный мультивибратор выполняется симметричным, а его сопротивление резисторов и емкости конденсаторов выбраны таким образом, что обеспечивается формирование на его выходе прямоугольных импульсов напряжения и пауз длительностью 1 с. Наличие шестнадцатиразрядного суммирующего электронного счетчика 11, имеющего 16 выходов и 16 светоизлучающих диодов, каждый из которых соединен с одним из выходов счетчика 11, позволяет при включении измерителя получать на их выходе цифровые коды за одну секунду, отображающие частоту вращения. Наличие логического элемента И 44 с двумя входами, первым входом 45 соединенного с первой дифференцирующей цепью 4, соединение выхода логического элемента И 44 посредством первого резистора 47 со счетным входом счетчика 11, соединение входа второй дифференцирующей цепи 6 и второго входа 46 логического элемента И 44 параллельно с выходом автоколебательного мультивибратора 8, соединение входа установки нуля счетчика 11 параллельно с выходом второй дифференцирующей цепи 6 позволяет обнулять счетчик 11и получать на выходе логического элемента И 44 последовательность импульсов, длительность которых равна длительности прямоугольного импульса, формируемого на выходе автоколебательного мультивибратора 8, а число импульсов на выходе логического элемента И 44 пропорционально частоте вращения. Частота вращения и количество зубьев, например, маховика позволяют применить в датчике 16-тиразрядный счетчик 11, так как, например, при частоте вращения маховика (коленчатого вала) 6000 мин-1 и количестве зубьев маховика равным 100 за 1 секунду формируется на выходе дифференцирующей цепи 4 с отсекающим диодом 5 не более 10000 положительных импульсов, а 16-тиразрядный счетчик может формировать цифровой код до 65536 импульсов в секунду, подаваемых на его вход. В цифровом измерителе применяются для обработки и преобразования информации цифровые методы. Импульсы в схемах имеют два фиксированных уровня напряжения. Уровню высокого напряжения приписывается символ “1”(истинность), а уровню низкого напряжения - символ “0” (ложь). При анализе импульсных устройств используется двоичная система счисления, а математическим аппаратом анализа служит алгебра логики. В разработанном цифровом измерителе используются микросхемы типа И 44 и И-НЕ 51, 52 (рис. 1), выполняющие логические функции. Условное обозначение логического элемента И и таблица его состояний показаны на рис. 2. Логический элемент И (рис.2, а) имеет на своем выходе импульс, если на два входа одновременно подаются импульсы напряжения (рис. 2, б). Условное обозначение логического элемента И-НЕ и таблица его состояний показаны на рис. 3. Логический элемент И-НЕ (рис.3, а) имеет на своем выходе импульс напряжения во всех случаях кроме одного, когда на оба входа одновременно подаются импульсы напряжения (рис. 3, б). а) UВХ1 UВХ2 UВЫХ 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 б) Рис. 2. Условное обозначение (а) и таблица состояний (б) логического элемента И Fig. 2. Conventional designation (a) and table of states (b) of the logical element AND а) UВХ1 UВХ2 UВЫХ 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 б) Рис. 3. Условное обозначение (а) и таблица состояний (б) логического элемента И-НЕ Fig. 3. Conventional designation (a) and table of states (b) of the logical element AND-NOT Рис. 4. Схема триггера со счетным запуском и графики напряжений на его входе (а) и выходе (б), (в) Fig. 4. Circuit of a trigger with a counting start and voltage graphs at its input (a) and output (b), (c) Счетчик 11 (рис. 1) используют для преобразования последовательностей прямоугольных импульсов в 16-тиразрядный цифровой код за время 1 с. Счетчик состоит из шестнадцати 16-тиразрядных триггеров (рис. 4) со счетным запуском, каждый из которых имеет два состояния устойчивого равновесия. Триггер со счетным запуском имеет один вход и один выход. Частота его выходных импульсов вдвое меньше частоты входных импульсов каждого триггера (рис. 4). Принцип работы триггера следующий (рис. 4). Предположим, что до прихода импульса на вход транзистор 1 закрыт, а транзистор 2 открыт. По этой причине потенциал катода диода 3 оказывается меньшим, чем потенциал катода диода 4. Вследствие этого входной импульс напряжения от датчика создает прямой ток диода 3 больший, чем у диода 4 и появляется ток базы транзистора 1, который открывается. Транзистор 2 закрывается из- за регенеративного процесса. Второй входной положительный импульс возвращает триггер в первоначальное состояние и т. д. Работу датчика частоты вращения поясняет рис. 5. При вращении, например, маховика на выходе катушки 2 индуктивности с магнитным сердечником 3 формируются разнополярные импульсы. Эти импульсы (рис. 5, а) дифференцируются первой дифференцирующей цепью 4 (рис. 5, б), выпрямляются диодом 5 (рис. 5, в) и подаются на первый вход 45 логического элемента И 44 (рис. 1). Рис. 5. Импульсы напряжения в цепях датчика частоты вращения Fig. 5. Voltage pulses in the speed sensor circuits На второй вход 46 логического элемента И 44 и одновременно на вход второй дифференцирующей цепи 6 подаются импульсы от автоколебательного мультивибратора 8 длительностью 1 с (рис. 6, б). Рис. 6. Импульсы напряжения на входе (а, б) логического элемента И и входе S электронного счетчика (в) Fig. 6. Voltage pulses at the input (a, b) of the logical element AND and the input S of the electronic counter (c) При наличии напряжения на втором входе логического элемента И 44 длительностью 1 с (рис. 6, б) на его выходе формируются периодические последовательности коротких импульсов (рис. 6, в), которые подаются на счетный вход S счетчика 11, преобразуются счетчиком 11 в 16-тиразрядные цифровые коды на выходах 12-27. С помощью светоизлучающих диодов 28-43 высвечиваются полученные цифровые коды, отображающие количество импульсов напряжения за одну секунду от датчика 1 частоты вращения. Результаты исследований и их обсуждение Приведем пример перевода кода на счетчике 11 в импульсы. Пусть высветился посредством светодиодов код на шестнадцатиразрядном счетчике 11, равный 0000000001100100. Для перевода его в десятичную систему счисления, как известно, пользуются суммой 215+214+ 213+ 212+ 211+ 210+ 29+28 + 27 + 26 + 25 + 24 + 23 + 22 + 21 + 2° = 0 +0 +0 +0+ 0+ 0 +0 +0 + 0 + 64 + 32 + 0 + 0 + 4 + 0 + 0 = 100. Это означает, что для получения этого кода счетчиком подсчитано 100 импульсов, поступающих от датчика 1 частоты вращения за 1 с, что соответствует для приведенного выше примера маховика, имеющего 100 зубьев, его частоте вращения 60 мин-1 . Для подтверждения достоверности теоретических исследований были выполнены необходимые эксперименты. Например, работоспособность датчика 1 (рис. 1) частоты вращения определялась на стенде (рис. 7) по виду осциллограммы (рис. 8), полученной посредством цифрового запоминающего осциллографа АКИП -4115 /2А. Импульсы напряжения на выходе катушки индуктивности (рис. 8) совпали с теоретическими (рис. 5, а). Для проверки работоспособности измерителя (рис. 9) частоты вращения он был собран согласно электрической схемы (рис. 1). Испытания подтвердили его работоспособность. Рис. 7. Индуктивный датчик частоты вращения, установленный на стенде: 1 - катушка индуктивности; 2 - зубчатое колесо Fig. 7. Bench-mounted inductive speed sensor: 1 - inductance coil; 2 - a gear wheel Рис. 8. Осциллограмма импульсов напряжения на первом входе логического элемента И: 1 - сциллограф; 2 - осциллограмма Fig. 8. Oscillogram of voltage pulses at the first input of the logical element AND: 1 - oscilloscope; 2 - oscillogram Рис. 9. Цифровой измеритель частоты вращения: 1 - 16-тиразрядный суммирующий счетчик; 2 - светоизлучающие диоды Fig. 9. Digital speed meter: 1 - 16-bit totalizing counter; 2 - light emitting diodes Применение предлагаемого измерителя обеспечивает экономический эффект за счет простоты конструкции, универсальности и высокой точности измерения частоты вращения. Выводы 1. Разработан, изготовлен и испытан измеритель частоты вращения, который показал свою работоспособность. 2. Благодаря простоте конструкции, высокой точности измерения и универсальности применение измерителя позволит получить экономический эффект из-за повышения эффективности работы машин, на которых он будет установлен.

About the authors

V. V Gerashchenko

Belarusian-Russian University

PhD in Engineering Mogilev, Belarus

V. P Lobakh

Belarusian-Russian University

Email: lobakhvp@mail.ru
PhD in Engineering Mogilev, Belarus

N. A Kovalenko

Belarusian-Russian University

PhD in Engineering Mogilev, Belarus

O. V Bilyk

Belarusian-Russian University

PhD in Engineering Mogilev, Belarus

References

Supplementary files