RU2726287C1 - Turning angle sensor - Google Patents
Turning angle sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2726287C1 RU2726287C1 RU2019121575A RU2019121575A RU2726287C1 RU 2726287 C1 RU2726287 C1 RU 2726287C1 RU 2019121575 A RU2019121575 A RU 2019121575A RU 2019121575 A RU2019121575 A RU 2019121575A RU 2726287 C1 RU2726287 C1 RU 2726287C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- markers
- disk
- sensor
- marker
- sensors
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/30—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
- G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
- G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
- G01P3/49—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed using eddy currents
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к железнодорожной (ж/д) технике и может быть использована для бесконтактного измерения скорости вращения колесной пары локомотива и ее преобразования в дискретные электрические сигналы, используемые в измерительных системах, контролирующих направление движения, пройденный путь, скорость и ускорение подвижного состава ж/д транспорта при скорости движения до 500 км/ч.The invention relates to railway (railway) equipment and can be used for non-contact measurement of the speed of rotation of a locomotive’s wheelset and its conversion into discrete electrical signals used in measuring systems that control the direction of movement, the distance traveled, the speed and acceleration of the rolling stock railway transport at speeds up to 500 km / h.
Также изобретение может быть использовано для измерения угловой скорости вращения различных скоростных валов, например, в турбинах, для измерения угла поворота, измерения параметров газоперекачивающих агрегатов, дизельных двигателей, станков и других циклических машин.The invention can also be used to measure the angular velocity of rotation of various high-speed shafts, for example, in turbines, to measure the angle of rotation, to measure the parameters of gas pumping units, diesel engines, machine tools and other cyclic machines.
Общеизвестны различные устройства измерения угла поворота:Various devices for measuring the angle of rotation are well known:
- чисто механические;- purely mechanical;
- оптические;- optical;
- фотоэлектрические;- photovoltaic;
- электромеханические (синус-косинусные вращающиеся трансформаторы);- electromechanical (sine-cosine rotating transformers);
- магнитные;- magnetic;
- электромагнитные;- electromagnetic;
- пьезоэлектрические (на эффекте Холла);- piezoelectric (Hall effect);
- считыванием нанесенных меток на поверхности вала и еще несколько других типов.- reading the applied marks on the shaft surface and several other types.
Наиболее близким техническим решением является измеритель крутящего момента, который представляет собой систему, состоящую из двух кластеров вихретоковых датчиков и двух групп меток, нанесенных на вал. Метки, выполненные из материала с более высокой электропроводностью, наносятся аддитивным методом в двух разнесенных поперечных сечениях вала. Каждый кластер датчиков представляет собой три датчика, неподвижно закрепленных на статоре агрегата. Датчики регистрируют время прохождения меток в каждом сечении.The closest technical solution is a torque meter, which is a system consisting of two clusters of eddy current sensors and two groups of labels applied to the shaft. Marks made of a material with higher electrical conductivity are applied by the additive method in two spaced apart cross-sections of the shaft. Each cluster of sensors consists of three sensors fixedly mounted on the stator of the unit. Sensors record the passage time of tags in each section.
Недостаток: требуется свободная по длине поверхность вала и усложненное техническое решение, также не измеряет направление вращения: по часовой стрелке и против - ПРОТОТИП, см. [email protected].Disadvantage: a shaft surface that is free in length and a complicated technical solution is required, also does not measure the direction of rotation: clockwise and counterclockwise - PROTOTYPE, see [email protected].
Применительно к данной заявке следует заметить, что измерение скорости локомотива отягощается следующим: датчик измерение скорости должен устанавливаться на буксе (двух буксах) колесной пары подвижного состава локомотива, на замену существующих механических датчиков, к тому же на их посадочное место (требование заказчика).With regard to this application, it should be noted that the measurement of the locomotive’s speed is aggravated by the following: the speed measurement sensor must be installed on the axle box (two axle boxes) of the locomotive’s rolling stock, to replace existing mechanical sensors, and also to their seat (customer requirement).
Существующие механические датчики обладают двумя основными недостатками: очень сложной конструкцией и удовлетворительной работой на скоростях до 100…120 км/ч, далее возрастает погрешность из-за недостатков, присущих почти всем механическим системам при больших нагрузках.Existing mechanical sensors have two main disadvantages: a very complex design and satisfactory operation at speeds of up to 100 ... 120 km / h, the error further increases due to the disadvantages inherent in almost all mechanical systems at high loads.
Недостатком прототипа является обязательное наличие свободной площади по длине и окружности вала, а т.к. заявка носит сугубо прикладной характер применительно к ж/д тематике и в буксе есть только торец вала, то из прототипа взято только применение меток-маркеров.The disadvantage of the prototype is the mandatory availability of free space along the length and circumference of the shaft, and since the application is purely applied in relation to railway topics and in the axle box there is only the end of the shaft, then only the use of markers is taken from the prototype.
Технической задачей изобретения является повышение точности измерения углов поворота и скорости на больших скоростях движения локомотива вплоть до 500 км/час и выше с одновременным повышением надежности, а побочной задачей является создание конструктива, позволяющего вписаться в посадочное место механического датчика.An object of the invention is to increase the accuracy of measuring rotation angles and speeds at high speeds of a locomotive up to 500 km / h and higher while increasing reliability, and a side task is to create a construct to fit into the seat of a mechanical sensor.
Технический результат достигается за счет размещения меток-маркеров на диске прикрепленному к торцу вала, выбора оптимального их количества и применяемого материала, а также явной простоты конструкции и отсутствие движущихся механических частей.The technical result is achieved by placing markers on the disk attached to the shaft end, choosing the optimal amount and material used, as well as the apparent simplicity of the design and the absence of moving mechanical parts.
Для решения поставленной задачи предлагается датчик угла поворота, характеризующийся тем, что содержит: вал буксы, диск с нанесенными на него маркерами, два вихретоковых датчика считывания и вихретоковый датчик коррекции расстояния со следующими соединениями: диск жестко закреплен на выступающем торце вала буксы ж/д колеса локомотива, на внешнем краю диска в области нанесения маркеров расположен 21 маркер, на расстоянии 4-5 мм от внешнего края иска на кронштейне расположены вихретоковые датчики следующим образом: вихретоковые датчики маркеров над зоной маркеров в диаметральном направлении, а вихретоковый датчик коррекции вне зоны маркеров по радиусу к одному из датчиков маркеров, выходы всех вихретоковых датчиков соединены с микроконтроллером.To solve this problem, a rotation angle sensor is proposed, characterized in that it contains: axle box shaft, disk with markers deposited on it, two eddy current sensing sensors and eddy current distance correction sensor with the following connections: the disk is rigidly mounted on the protruding end of the axle shaft of the railway wheel locomotive, 21 markers are located on the outer edge of the disk in the marker application region, eddy current sensors are located on the bracket at a distance of 4-5 mm from the outer edge of the suit as follows: eddy current sensors of markers above the marker zone in the diametrical direction, and the eddy current correction sensor outside the marker zone by radius to one of the marker sensors, the outputs of all eddy current sensors are connected to the microcontroller.
На фиг. 2 показана функциональная электрическая схема датчика угла поворота, на которой показано (совместно с фиг. 1):In FIG. 2 shows a functional electrical diagram of a rotation angle sensor, which shows (together with FIG. 1):
1, 2, 8 - вихретоковые датчики (первый второй и третий соответственно);1, 2, 8 - eddy current sensors (the first second and third, respectively);
3 - диск с маркерами 5;3 - disk with
4 - вал буксы;4 - axle box shaft;
9 - блок трех прецизионных резисторов;9 - block of three precision resistors;
10 - блок трех фильтров-усилителей с компараторами;10 - block of three filter amplifiers with comparators;
11 - микроконтроллер (МК);11 - microcontroller (MK);
12 - схема обработки токовых сигналов.12 is a diagram of the processing of current signals.
На оси вала 4 прикреплен диск 3 с маркерами 5, выходы диска 3 соединены с вихретоковыми датчиками 1, 2 и 8 соответственно, выходы которых токовыми сигналами через блок трех прецизионных резисторов 9 соединены с входами блока первого, второго и третьего фильтра-усилителя с компараторами 10 соответственно, выходы компараторов этих фильтров-преобразователей соединены с соответствующими входами МК 11, выход которого является выходом датчика угла поворота.A
На фиг. 1 показаны две проекции конструкции диска и его расположение относительно вала буксы, на которых изображено:In FIG. 1 shows two projections of the design of the disk and its location relative to the axle box shaft, which depict:
1, 2 - вихретоковые датчики первый и второй;1, 2 - eddy current sensors the first and second;
3 - диск;3 - disk;
4 - вал буксы;4 - axle box shaft;
5 - метки-маркеры;5 - markers;
5-1 - расстояние между метками-маркерами;5-1 - the distance between the marker marks;
6 - зазор между диском и вихретоковыми датчиками;6 - the gap between the disk and eddy current sensors;
7 - область нанесения маркеров;7 - area of application of markers;
8 - вихретоковый датчик коррекции расстояния.8 - eddy current distance correction sensor.
Крепление диска к валу буксы условно не показано, также не показан кронштейн для крепления вихретоковых датчиков и их соединение с МК.The mounting of the disk to the axle box shaft is not conventionally shown, and the bracket for mounting eddy current sensors and their connection with MK are also not shown.
На фиг. 3 и 4 показаны кривые напряжений на выходе вихретокового датчика на скоростях 73 км/час (32 о/мин) и 500 км/час (223 об/мин), а также НЧ-модуляция сигналов.In FIG. Figures 3 and 4 show the voltage curves at the output of the eddy current sensor at speeds of 73 km / h (32 rpm) and 500 km / h (223 rpm), as well as low-frequency modulation of the signals.
Конструкция датчика угла поворота имеет следующие соединения.The design of the angle sensor has the following connections.
К торцу вала 4 буксы прикреплен диск 3, причем строго относительно центра вала и центра диска. На расстоянии 6 (зазор) 4-5 мм от диска, следовательно, маркеров, расположены три вихретоковых датчика: первый и второй в области нанесения маркеров по противоположным краям по диаметру, а третий вихретоковый датчик коррекции 8 на расстояния вне зоны по радиусу с любым из двух маркеров (первого или второго).A
Все три вихретоковых датчика расположены на одном кронштейне, а их выходы соединены с входами МК для дальнейшей обработки.All three eddy current sensors are located on one bracket, and their outputs are connected to the MK inputs for further processing.
Причем, ширина зазора между первым и вторым маркером равна удвоенному зазору между всеми другими маркерами. Это необходимо для определения начала отчета с нулевой отметки. Отсчитав 21 отметку маркеров и зазоров, а это половина оборота колеса, и определив время этого отсчета, затем отсчитав следующую 21 отметку маркеров и зазоров, а эго полный оборот колеса, и определив второй отсчет времени, а затем, сравнив это время между собой и в случае разницы этих времен можно судить о неправильности геометрической формы колеса - овальности. Это новая функция предложенного технического решения.Moreover, the width of the gap between the first and second marker is equal to twice the gap between all other markers. This is necessary to determine the start of the report from zero. After counting the 21 markers and gaps, and this is half the wheel revolution, and determining the time of this countdown, then counting down the next 21 markers and gaps, and this is the full wheel revolution, and determining the second time reference, and then comparing this time with each other and in case of a difference of these times, one can judge the irregularity of the geometric shape of the wheel - ovality. This is a new feature of the proposed technical solution.
Датчик угла поворота работает следующим образом и имеет простую конструкцию. На диске нанесен 21 алюминиевый маркер, его ширина выбрана таким образом, что их ширина равна зазору между ними для контроля момента прохождения полного оборота, следовательно, общее количество информационных элементов равно 42.The angle sensor operates as follows and has a simple design. 21 aluminum markers are applied to the disk, its width is selected so that their width is equal to the gap between them to control the moment of passage of a full revolution, therefore, the total number of information elements is 42.
Наличие двух вихретоковых датчиков 1 и 2 нужно для однозначного определения направления вращения, третий датчик определения расстояния служит для измерения и коррекции паразитной НЧ-составляющей полезного сигнала.The presence of two eddy
В предлагаемом устройстве используется как фазовая информационная составляющая сигнала, гак и уровень самого сигнала в разные моменты времени, а также крутизна фронтов и спадов фазовых импульсов.In the proposed device, it is used as the phase information component of the signal, the hook and the level of the signal itself at different points in time, as well as the steepness of the fronts and decays of the phase pulses.
Способ получения первичного сигнала базируется на свойстве вихретокового датчика с аналоговым выходом реагировать как на величину зазора между собственно датчиком и электропроводящей поверхностью (целью), так и на величину проводимости. При постоянном зазоре между датчиком и целью величина выходного сигнала зависит от электропроводности цели (чем она выше, тем больше сигнал), при неизменной электропроводности цели и изменяющемся зазоре величина сигнала будет зависеть от величины зазора (чем больше зазор, тем больше сигнал). Таким образом, для вращающегося вала с нанесенными маркерами на диске становится возможным с помощью вихретокового датчика формировать фазоимпульсный сигнал, каждый импульс которого будет соответствовать прохождению маркера относительно вихревого датчика. Ширина маркеров выбирается из расчета на получение импульса с четко видимой формой, таким образом, максимальный уровень сигнала будет зависеть от расстояния между датчиком и диском на вале в тот момент, когда под датчиком находится маркер, а минимальный уровень сигнала будет зависеть от расстояния между датчиком и поверхностью диска в тот момент, когда под датчиком находится непроводящая поверхность диска.The method of obtaining the primary signal is based on the property of the eddy current sensor with an analog output to respond both to the gap between the sensor itself and the electrically conductive surface (target), and to the value of conductivity. With a constant gap between the sensor and the target, the value of the output signal depends on the target’s conductivity (the higher it is, the larger the signal), with a constant target conductivity and a changing gap, the signal size will depend on the gap size (the larger the gap, the larger the signal). Thus, for a rotating shaft with applied markers on the disk, it becomes possible to use the eddy current sensor to generate a phase-pulse signal, each pulse of which will correspond to the passage of the marker relative to the vortex sensor. The width of the markers is selected based on the reception of a pulse with a clearly visible shape, so the maximum signal level will depend on the distance between the sensor and the disk on the shaft at the moment when there is a marker under the sensor, and the minimum signal level will depend on the distance between the sensor and the surface of the disk at the moment when the non-conductive surface of the disk is under the sensor.
Сформированный таким образом первичный сигнал поступает в блок аналоговой обработки (на чертеже условно не показан), где осуществляется его фильтрация в соответствии с конкретными условиями эксплуатации (подавление частот выше частоты следования фазовых импульсов первичного сигнала), а также осуществляется необходимое преобразование для дальнейшей передачи в аналогово-цифровой преобразователь. Кроме того, блок аналоговой обработки и питания обеспечивает питание датчика.The primary signal generated in this way enters the analog processing unit (not shown conventionally in the drawing), where it is filtered in accordance with specific operating conditions (suppression of frequencies higher than the repetition rate of the phase pulses of the primary signal), as well as the necessary conversion for further transmission to analog digital converter. In addition, the analog processing and power unit provides power to the sensor.
Установленный вне зоны прохождения маркеров на линии радиуса, проходящего через датчик маркеров, датчик коррекции позволит получать значение расстояния между поверхностью диска и датчиком маркеров, позволяя тем самым скорректировать его выходной уровень и практически полностью избавиться от НЧ-модуляции, вызванной любой из вышеописанных причин, обеспечивая расширением динамического диапазона и облегчая задачу обработки основного сигнала прохождения маркеров. Вычитание сигнала дальности можно производить как на первичном этапе (в аналоговом виде), так и во время цифровой обработки.Installed outside the zone of passage of markers on the radius line passing through the marker sensor, the correction sensor will allow you to get the distance between the disk surface and the marker sensor, thereby allowing you to adjust its output level and almost completely eliminate low frequency modulation caused by any of the above reasons, providing expanding the dynamic range and facilitating the task of processing the main signal passing markers. The range signal can be subtracted both at the initial stage (in analog form) and during digital processing.
Наиболее простым с точки зрения вычислений является определение скорости вращения, то есть числа оборотов вала в минуту. Зная количество маркеров, можно определить время, за которое вал проходит один оборот, затем нетрудно вычислить количество оборотов в минуту (формула 1.1).The simplest from the point of view of calculations is to determine the speed of rotation, that is, the number of revolutions of the shaft per minute. Knowing the number of markers, it is possible to determine the time during which the shaft passes one revolution, then it is easy to calculate the number of revolutions per minute (formula 1.1).
где t - время одного оборота, выраженное в тактах АЦП, Δt - длительность такта АЦП, выраженное в секундах, N - число оборотов в минуту.where t is the time of one revolution, expressed in steps of the ADC, Δt is the duration of the step of the ADC, expressed in seconds, N is the number of revolutions per minute.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019121575A RU2726287C1 (en) | 2018-12-29 | 2018-12-29 | Turning angle sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019121575A RU2726287C1 (en) | 2018-12-29 | 2018-12-29 | Turning angle sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2726287C1 true RU2726287C1 (en) | 2020-07-10 |
Family
ID=71510329
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019121575A RU2726287C1 (en) | 2018-12-29 | 2018-12-29 | Turning angle sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2726287C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU201793U1 (en) * | 2020-10-26 | 2021-01-13 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственное объединение "Октябрь" | STEERING ANGLE SENSOR HALF FOR USE IN TOWEL FINGER CLUTCH |
| RU2780547C1 (en) * | 2022-01-10 | 2022-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение "Горизонт" | Rotation angle sensor |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1030823A1 (en) * | 1981-12-25 | 1983-07-23 | Харьковский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.В.И.Ленина | Crankshaft angular-position pulse shaper |
| DE4009007C2 (en) * | 1989-03-22 | 1995-05-18 | Fuji Heavy Ind Ltd | Method for detecting the absolute steering angle of a steering angle sensor for a vehicle |
| DE19927191A1 (en) * | 1999-06-15 | 2000-12-21 | Bosch Gmbh Robert | Method for correcting an angular error of an absolute angle encoder |
| RU2291411C9 (en) * | 2004-11-17 | 2007-07-10 | Ярославский государственный технический университет | Method of measuring nonuniformity of rotation of crankshaft of internal combustion engine |
| DE102013002358A1 (en) * | 2013-02-08 | 2014-08-14 | GM Global Technology Operations, LLC (n.d. Ges. d. Staates Delaware) | User interface for controlling functions of e.g. audio system in motor vehicle, has control unit connected with sensor for controlling feedback unit such that rotational positions of actuator are programmed based on haptic feedback |
-
2018
- 2018-12-29 RU RU2019121575A patent/RU2726287C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1030823A1 (en) * | 1981-12-25 | 1983-07-23 | Харьковский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.В.И.Ленина | Crankshaft angular-position pulse shaper |
| DE4009007C2 (en) * | 1989-03-22 | 1995-05-18 | Fuji Heavy Ind Ltd | Method for detecting the absolute steering angle of a steering angle sensor for a vehicle |
| DE19927191A1 (en) * | 1999-06-15 | 2000-12-21 | Bosch Gmbh Robert | Method for correcting an angular error of an absolute angle encoder |
| RU2291411C9 (en) * | 2004-11-17 | 2007-07-10 | Ярославский государственный технический университет | Method of measuring nonuniformity of rotation of crankshaft of internal combustion engine |
| DE102013002358A1 (en) * | 2013-02-08 | 2014-08-14 | GM Global Technology Operations, LLC (n.d. Ges. d. Staates Delaware) | User interface for controlling functions of e.g. audio system in motor vehicle, has control unit connected with sensor for controlling feedback unit such that rotational positions of actuator are programmed based on haptic feedback |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU201793U1 (en) * | 2020-10-26 | 2021-01-13 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственное объединение "Октябрь" | STEERING ANGLE SENSOR HALF FOR USE IN TOWEL FINGER CLUTCH |
| RU2780547C1 (en) * | 2022-01-10 | 2022-09-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное объединение "Горизонт" | Rotation angle sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US2362616A (en) | Pendulum compensator | |
| CN101398313B (en) | Motor rotor position sensor and method for measuring position of motor rotor | |
| US10480580B2 (en) | Bearing comprising an angular movement sensor | |
| US10330496B2 (en) | Sensor arrangement for detecting rotational angles on a rotating component in a vehicle | |
| US10564008B2 (en) | Inductive displacement sensors | |
| CN108693374B (en) | Sensor apparatus, system and method | |
| JP2011107134A (en) | Roller bearing device with sensor unit | |
| CN105547219A (en) | Linear and angular displacement sensor measurement system and method | |
| CN111114338B (en) | High-speed maglev train speed measurement sensor and maglev train | |
| CN104422384A (en) | Device and method for detecting rotation state | |
| US9518615B2 (en) | Component part, device and method for determining an axial position of a component part and for determining a rotary speed of the component part | |
| CN111433568B (en) | Sensor system for determining at least one rotation characteristic of a rotating element rotating about at least one axis of rotation | |
| RU2726287C1 (en) | Turning angle sensor | |
| CN101545915B (en) | Motor speed measuring method based on Doppler effect of inductosyn | |
| Engelberg et al. | Eddy current sensor system for non-contact speed and distance measurement of rail vehicles | |
| CN105547142A (en) | Sensor assembly for detecting rotational angles of a rotating component | |
| GB2455800A (en) | Method and apparatus for monitoring the rotational speed of a shaft | |
| CN106258001A (en) | For detection equipped with the short-circuit method in the synchrodrive of angular position pick up | |
| US20210041269A1 (en) | Method of measuring a position of a movable body relative to a fixed body | |
| JP2018091683A (en) | Wheel diameter specifying device | |
| CN112697438A (en) | Turboprop engine pitch-phase angle-rotating speed measuring device and method based on tone wheel | |
| CN106644040B (en) | Rotating shaft torsional vibration detection method and device based on multiple sensors | |
| US11820409B2 (en) | Method for producing movement information | |
| US7152476B2 (en) | Measurement of motions of rotating shafts using non-vibrating contact potential difference sensor | |
| GB2455801A (en) | Monitoring the rotational speed of a shaft |