Датчик перемещения оборудования грузоподъемной машины
Полезная модель относится к контрольным устройствам, используемым в системах управления и защиты грузоподъемных машин. Датчик перемещения оборудования грузоподъемной машины содержит активатор с постоянным магнитом, установленный на валу с возможностью вращения магнита при перемещении контролируемого оборудования, два геркона, установленные с возможностью срабатывания под воздействием поля постоянного магнита в последовательности, обусловленной направлением вращения вала, реверсивный счетчик импульсов, блок определения направления счета, информационные входы которого связаны с соответствующими герконами, а выходы подключены к входам соответственно сложения и вычитания реверсивного счетчика импульсов, и питающую сеть. В датчик введены магнитный энкодер, постоянный магнит которого установлен на торце указанного вала, масштабирующий умножитель, сумматор, задатчик выходной характеристики, формирователь выходной характеристики, коммутатор, супервизор и автономный источник питания. Достигаемый технический результат выражается в повышении надежности работы датчика перемещения и расширении его функциональных возможностей. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Полезная модель относится к контрольным устройствам, используемым в системах управления и защиты грузоподъемных машин.
Составной частью приборов, устройств и систем безопасности подъемно-транспортных машин являются датчики перемещения рабочего оборудования.
В качестве датчиков текущего положения оборудования в системах управления и безопасности грузоподъемных машин получили распространение датчики перемещения, в которых в качестве чувствительного элемента используется одно- или многооборотный переменный резистор, вал которого соединяется с механизмом крана через редуктор [RU 93027810 А, G01D 21/00, 09.07.1995]. Такие датчики с пропорциональным выходным сигналом пригодны для определения текущего положения оборудования, однако им также присущ ряд недостатков. Во-первых, переменные резисторы имеют ограниченную рабочую зону по углу поворота их вала, поэтому с ростом диапазона изменения измеряемого параметра (вылета, высоты подъема грузозахватного органа и т.д.) требуется увеличение передаточного числа редуктора, что ведет к необходимости производства датчиков с различными редукторами и к снижению точности измерения параметра с увеличением диапазона его изменения. Во-вторых, переменные резисторы имеют ограниченное число рабочих циклов, что снижает ресурс датчиков перемещения, выполненных на их основе.
Иногда в качестве датчиков перемещения используют абсолютные или инкрементные оптические энкодеры. Они не имеют трущихся частей, что обеспечивает большой ресурс датчиков. Однако область применения оптических энкодеров ограничена внешними механическими и климатическими факторами. Кроме того, инкрементные энкодеры не позволяют отследить перемещение оборудования при отсутствии питания, а
абсолютные энкодеры очень дороги и имеют ограниченный диапазон измерения.
Наиболее близким к предложенному является используемый в системах автоматического контроля и регулирования датчик перемещения, питающийся от внешней сети и включающий в себя активатор с постоянным магнитом, установленный на валу с возможностью вращения магнита при перемещении контролируемого оборудования, два геркона, установленные с возможностью срабатывания под воздействием поля постоянного магнита в последовательности, обусловленной направлением вращения вала, реверсивный счетчик импульсов и блок определения направления счета, информационные входы которого связаны с соответствующими герконами, а выходы подключены к входам соответственно сложения и вычитания реверсивного счетчика импульсов [SU 477440 A, G01P 13/00, 15.07.1975]. Это устройство дает возможность контролировать текущее положение оборудования путем подсчета числа оборотов активатора с учетом направления вращения, причем диапазон измерения устройства практически не ограничен. Использование в качестве чувствительных элементов пар «постоянный магнит - геркон» обеспечивает достаточный ресурс устройства. К недостатку устройства следует отнести отсутствие контроля изменения положения оборудования при отключенном внешнем питании.
Задачей настоящей полезной модели является создание датчика, позволяющего контролировать текущее положение оборудования грузоподъемной машины как при включенном, так и при отключенном внешнем питании с формированием на выходе информационных и управляющих сигналов различных типов. Дополнительной задачей настоящей полезной модели является повышение точности определения положения оборудования грузоподъемной машины за счет снижения дискретности отсчета угла поворота.
Таким образом, достигаемый технический результат выражается в повышении надежности работы данного устройства и расширении его функциональных возможностей.
Решение поставленных задач и достижение технического результата обеспечивается тем, что в датчик перемещения оборудования грузоподъемной машины, содержащий активатор с постоянным магнитом, установленный на валу с возможностью вращения магнита при перемещении контролируемого оборудования, два геркона, установленные с возможностью срабатывания под воздействием поля постоянного магнита в последовательности, обусловленной направлением вращения вала, реверсивный счетчик импульсов, блок определения направления счета, информационные входы которого связаны с соответствующими герконами, а выходы подключены к входам соответственно сложения и вычитания реверсивного счетчика импульсов, и питающую сеть, введены магнитный энкодер, постоянный магнит которого установлен на торце указанного вала, масштабирующий умножитель, сумматор, задатчик выходной характеристики, формирователь выходной характеристики, коммутатор, супервизор и автономный источник питания, при этом входы масштабирующего умножителя соединены с выходом реверсивного счетчика и питающей сетью, а выход - с первым входом сумматора, вход питания магнитного энкодера подключен к питающей сети, а выход - ко второму входу сумматора, третий вход которого соединен с питающей сетью, информационный вход формирователя выходной характеристики соединен с выходом сумматора, управляющий вход - с выходом задатчика выходной характеристики, а вход питания - с питающей сетью, входы супервизора подключены к питающей сети и выходу автономного источника питания, управляющий вход коммутатора подключен к первому выходу супервизора, один из рабочих входов - к питающей сети, другой рабочий вход - к выходу автономного источника питания, а выход - к входам питания герконов, блока определения направления счета и реверсивного счетчика импульсов.
Достижению технического результата способствуют также частные существенные признаки полезной модели.
Активатор может содержать, по меньшей мере, один дополнительный постоянный магнит.
Активатор может быть выполнен с металлическим диском, имеющим прорези для пропускания магнитного поля к герконам.
В датчик может быть введен, по меньшей мере, один дополнительный геркон.
Автономный источник питания может быть снабжен подключенным к питающей сети зарядным устройством, управляющий вход которого соединен со вторым выходом супервизора.
На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого датчика с автономным источником питания без подзарядки; на фиг.2 - функциональная схема предлагаемого датчика с подзарядкой автономного источника питания от внешней питающей сети.
Устройство включает в себя активатор 1 с одним или более постоянным магнитом 2, первый геркон 3, второй геркон 4, блок 5 определения направления счета, реверсивный счетчик 6 импульсов, масштабирующий умножитель 7, магнитный энкодер 8 с постоянным магнитом 9, сумматор 10, формирователь 11 выходной характеристики, задатчик 12 выходной характеристики, автономный источник 13 питания, коммутатор 14 и супервизор 15. Имеется питающая сеть (бортсеть) с напряжением U пит.
Активатор 1 с постоянным магнитом 2 установлен на валу 16 с возможностью вращения магнита 2 при перемещении контролируемого оборудования. Герконы 3 и 4 установлены с возможностью срабатывания под воздействием поля постоянного магнита 2 в последовательности, обусловленной направлением вращения вала 16. Постоянный магнит 9 энкодера 8 установлен на торце вала 16. Информационные входы блока 5 определения направления счета связаны с герконами 3 и 4, а выходы подключены к входам соответственно сложения и вычитания реверсивного счетчика 6 импульсов. Входы масштабирующего умножителя 7 соединены с выходом реверсивного счетчика б импульсов и питающей сетью, а выход - с первым входом сумматора 10. Вход питания магнитного энкодера 8 подключен к питающей сети, а выход - ко второму входу сумматора 10, третий вход которого соединен с питающей сетью. Информационный вход
формирователя 11 выходной характеристики соединен с выходом сумматора 10, управляющий вход - с выходом задатчика 12 выходной характеристики, а вход питания - с питающей сетью. Входы супервизора 15 подключены к питающей сети и выходу автономного источника 13 питания. Управляющий вход коммутатора 14 подключен к первому выходу супервизора 15, один из рабочих входов - к питающей сети, другой рабочий вход - к выходу автономного источника 13 питания, а выход - к входам питания герконов 3 и 4, блока 5 определения направления счета и реверсивного счетчика 6 импульсов.
Датчик перемещения оборудования грузоподъемной машины работает следующим образом.
Перемещение контролируемого оборудования вызывает вращение вала 16 с активатором 1 и постоянным магнитом 2 и вращение постоянного магнита 9 магнитного энкодера 8.
При вращении постоянного магнита 2 и прохождении через зону чувствительности герконов 3 и 4 происходит их срабатывание в определенной последовательности.
По последовательности срабатывания герконов 3 и 4 блоком 5 определения направления счета, например, в соответствии с алгоритмом, приведенным в авторском свидетельстве SU 1249701 A1, G06M 3/02, 07.08.1986, определяется направление вращения вала (перемещения оборудования) и в зависимости от него выдаются на реверсивный счетчик 6 импульсы приращения или уменьшения его содержимого. Текущее значение содержимого реверсивного счетчика 6 импульсов, таким образом, характеризует число оборотов вала датчика (с учетом направления вращения).
Одновременно при вращении вала 16 под воздействием магнитного поля постоянного магнита 9 магнитным энкодером 8 вырабатывается сигнал угла поворота вала (в пределах 360°). Значение этого угла суммируется в сумматоре 10 со значением содержимого реверсивного счетчика 6, приведенного к масштабу сигнала магнитного энкодера с помощью масштабирующего умножителя 7. Таким образом, на выходе сумматора 10
формируется сигнал, соответствующий углу поворота активатора 1 с дискретностью магнитного энкодера и при практически неограниченном количестве оборотов входного вала датчика.
Формирователь 11 выходной характеристики в соответствии со значением и параметрами, определенными задатчиком 12 выходной характеристики, формирует выходные сигналы датчика: дискретные, аналоговые, цифровые (протоколы CAN, LIN, I2C, RS-232, RS-485 и т.д.) или любую комбинацию из них, определяемую назначением датчика.
Пределы измерения датчика при формировании аналогового выходного сигнала и пороги формирования дискретных выходных сигналов устанавливаются задатчиком 12 выходной характеристики. Это позволяет использовать датчик для определения положения различного оборудования в системах управления и безопасности различного назначения грузоподъемных машин различных типов. Например, вместо двух концевых выключателей, расположенных в разных частях крана, для ограничения максимальной высоты подъема крюка и минимального числа витков каната, может быть установлен один датчик, активатор 1 которого связан с валом грузовой лебедки. При этом формирователь 11 выходной характеристики выдает дискретные сигналы при достижении соответствующих ограничений. Задатчиком 12 выходной характеристики в этом случае могут быть установлены также дополнительные пороги срабатывания для выработки формирователем 11 выходной характеристики дополнительных управляющих сигналов, например, для ограничения скорости подъема/опускания крюка при подходе к ограничениям. Если же нужно знать текущее положение крюка, например, в системах координатной защиты, формирователем 11 выходной характеристики выдается нормированный аналоговый выходной сигнал, а диапазон измерения устанавливается задатчиком 12 выходной характеристики.
Супервизор 15 осуществляет контроль наличия внешнего питания датчика. При работе от внешнего источника питания супервизор переключает коммутатор 14 таким образом, чтобы питание герконов 3 и 4, блока 5
определения направления счета и реверсивного счетчика 6 импульсов осуществлялось от питающей сети с напряжением Uпит. В случае, когда напряжение бортсети грузоподъемной машины падает ниже допустимого предела, супервизор 15 переключает коммутатор 14 таким образом, чтобы питание герконов 3 и 4, блока 5 определения направления счета и реверсивного счетчика 6 импульсов осуществлялось от автономного источника 13 питания, что позволяет контролировать изменение положения оборудования и при отсутствии внешнего питания.
Повышение точности измерения положения оборудования достигается за счет снижения дискретности отсчетов путем увеличения количества постоянных магнитов 2 активатора 1, либо количества герконов, подключаемых к блоку 5 определения направления счета.
При выполнении активатора 1 с металлическим диском, имеющим прорези для пропускания магнитного поля к герконам 3 и 4, т.е. с диском, размещенным между закрепленными неподвижно постоянными магнитами 2 и герконами 3 и 4, дискретность измерений может быть снижена без увеличения числа магнитов и герконов за счет увеличения числа прорезей в диске активатора 1.
Кроме того, в предлагаемом датчике возможно также использование перезаряжаемого автономного источника 13 питания (аккумулятора) с подзарядкой от внешней питающей сети через зарядное устройство 16, управляемое супервизором 15. В этом случае управляющий вход автономного источника питания соединяется со вторым выходом супервизора (фиг.2).
Конструкция датчика может быть реализована промышленным способом.
Активатор 1 может быть выполнен в виде вращающегося в подшипниках ротора с закрепленными на нем постоянными магнитами из сплава NbFeB, или в виде вращающегося в подшипниках металлического диска с прорезями, расположенного между закрепленными постоянными магнитами и герконами, например, переключающими герконами марки КЭМ-3.
В качестве магнитного энкодера 8 можно использовать, например, микросхему "MLX 90316" фирмы Milexis.
Блок 5 определения направления счета может быть выполнен на логических схемах, реализующих алгоритм определения направления счета, например, в соответствии с указанным выше авторским свидетельством SU 1249701 А1 и формирующих импульсы при переключении герконов 3 и 4.
В качестве реверсивного счетчика 6 импульсов, масштабирующего умножителя 7, сумматора 10, коммутатора 14 и супервизора 15 могут применяться стандартные микросхемы таких устройств.
Формирователь 11 выходной характеристики может быть выполнен на базе электронных ключей (для формирования дискретных сигналов), цифро-аналоговых преобразователей (для формирования аналоговых сигналов), контроллеров портов (для формирования цифровых сигналов).
В качестве задатчика 12 выходной характеристики могут применяться кнопки (например, TS-A2PS-130), переключатели, постоянные или переменные резисторы, запоминающие устройства и т.д.
Возможна программная реализация блока 5 определения направления счета, реверсивного счетчика 6 импульсов, масштабирующего умножителя 7, сумматора 10, формирователя 11 выходной характеристики, коммутатора 14 и супервизора 15 на базе одного РIC-процессора, например, на микросхеме микроконтроллера PIC16F688.
В качестве автономного источника 13 питания может применяться, например, литиевая батарея LS 14500, или NiMn аккумуляторная батарея VH АА 1500.
Специалисту в данной области понятно, что могут быть различные модификации предложенного устройства без отхода от духа и рамок настоящей полезной модели, определяемых объемом притязаний, изложенных в формуле полезной модели.
1. Датчик перемещения оборудования грузоподъемной машины, содержащий активатор с постоянным магнитом, установленный на валу с возможностью вращения магнита при перемещении контролируемого оборудования, два геркона, установленные с возможностью срабатывания под воздействием поля постоянного магнита в последовательности, обусловленной направлением вращения вала, реверсивный счетчик импульсов, блок определения направления счета, информационные входы которого связаны с соответствующими герконами, а выходы подключены к входам, соответственно, сложения и вычитания реверсивного счетчика импульсов, и питающую сеть, отличающийся тем, что в него введены магнитный энкодер, постоянный магнит которого установлен на торце указанного вала, масштабирующий умножитель, сумматор, задатчик выходной характеристики, формирователь выходной характеристики, коммутатор, супервизор и автономный источник питания, при этом входы масштабирующего умножителя соединены с выходом реверсивного счетчика и питающей сетью, а выход - с первым входом сумматора, вход питания магнитного энкодера подключен к питающей сети, а выход - ко второму входу сумматора, третий вход которого соединен с питающей сетью, информационный вход формирователя выходной характеристики соединен с выходом сумматора, управляющий вход - с выходом задатчика выходной характеристики, а вход питания - с питающей сетью, входы супервизора подключены к питающей сети и выходу автономного источника питания, управляющий вход коммутатора подключен к первому выходу супервизора, один из рабочих входов - к питающей сети, другой рабочий вход - к выходу автономного источника питания, а выход - к входам питания герконов, блока определения направления счета и реверсивного счетчика импульсов.
2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что активатор содержит, по меньшей мере, один дополнительный постоянный магнит.
3. Датчик по п.1 или 2, отличающийся тем, что активатор выполнен с металлическим диском, имеющим прорези для пропускания магнитного поля к герконам.
4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в него введен, по меньшей мере, один дополнительный геркон.
5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что автономный источник питания снабжен подключенным к питающей сети зарядным устройством, управляющий вход которого соединен со вторым выходом супервизора.
