Бесконтактный интеллектуальный датчик углового положения

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для использования при определении углового положения вала и может быть непосредственно использована для определения углового положения лопаток впускного направляющего аппарата газотурбинного двигателя в системе автоматизированного управления. Предлагаемая полезная модель содержит регулятор напряжения, защиту от обратного и перенапряжения, мультиплексор, инструментальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, Flash-память, последовательный интерфейс, преобразователь напряжения в ток, шину магистральную, полномостовой магниторезистивный чувствительный элемент, измерительный резистор, прецизионный источник опорного напряжения. Полезная модель обеспечивает повышение надежности и точности определения углового положения. Использование полномостового магниторезистивного чувствительного элемента позволяет повысить точность измерения углового положения. Введение прецизионного источника опорного напряжения позволяет получить точный выходной сигнал от полномостового магниторезистивного чувствительного элемента. Введение измерительного резистора позволяет программным путем компенсировать температурную зависимость измерения. Точность определения углового положения составляет 0,4%.

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для использования при определении углового положения вала и может быть непосредственно использована для определения углового положения лопаток впускного направляющего аппарата газотурбинного двигателя в системе автоматизированного управления.

Известен интеллектуальный датчик с питанием от токовой петли (патент РФ №2126995, G08С 19/02 от 02.03.1994 г), содержащий пьезоэлектрический преобразователь, микропроцессор, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, энергонезависимое запоминающее устройство, схему фиксации уровня, схему стабилизации питания, приемник, схему управления током, схему сдвига уровня, кнопочный пульт управления, дисплей, защитную резисторную схему, преобразователь, резисторы, стабилитроны, конденсаторы, диоды, транзисторы.

В известном датчике с целью ограниченного питания от токовой петли используется сложная схема управления, что снижает надежность и быстродействие измерения из-за дефицита мощности.

Известен бесконтактный программируемый датчик абсолютного углового положения в 360° (патент РФ №2312363, G01Р 3/488, G01В 7/30, G01D 5/12, от 31.01.2006 г. фиг.11) - прототип.

Известный датчик содержит регулятор напряжения, защиту от обратного и перенапряжения, мультиплексор, инструментальный усилитель,

аналого-цифровой преобразователь, цифрово-аналоговый преобразователь, микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, Flash-память, последовательный интерфейс, преобразователь напряжения в ток, шину магистральную, магниточувствительный элемент с эффектом Холла. Недостатками известного датчика являются:

- невысокая надежность и точность из-за использования эффекта Холла, у которого по сравнению с датчиками на основе магниторезистивного эффекта измерение углового положения производится косвенным методом - через измерение проекции магнитного поля.

- снижение точности определения углового положения из-за отсутствия компенсации температурной зависимости измерения.

Датчики на основе эффекта Холла имеют достаточно много недостатков: низкая чувствительность, дрейфы чувствительности, смещение и дрейфы смещения и значительная нелинейность (до 3% в полном диапазоне, который обычно менее 90°).

Предлагаемый бесконтактный интеллектуальный датчик углового положения устраняет перечисленные выше недостатки.

Техническим результатом полезной модели является повышение надежности и точности определения углового положения.

Для достижения указанного технического результата в бесконтактный интеллектуальный датчик углового положения, содержащий регулятор напряжения, защиту от обратного и перенапряжения, мультиплексор, инструментальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, Flash-память, последовательный интерфейс, преобразователь напряжения в ток, при этом входы защиты от обратного и перенапряжения соединены через контактные

площадки печатной платы с источником постоянного тока, а его выходы соединены со входами регулятора напряжения, а первый выход дополнительно соединен с первым входом преобразователя напряжения в ток, выходы мультиплексора соединены со входами инструментального усилителя, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, выход цифро-аналогового преобразователя соединен со вторым входом преобразователя напряжения в ток, выход которого через контактную площадку печатной платы соединен с системой автоматизированного управления, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, Flash-память, последовательный интерфейс, соединены между собой шиной магистральной, второй порт последовательного интерфейса через разъем печатной платы может быть соединен с персональным компьютером, введены полномостовой магниторезистивный чувствительный элемент, измерительный резистор, прецизионный источник опорного напряжения, при этом выходы регулятора напряжения соединены со входами прецизионного источника опорного напряжения, первый выход которого непосредственно соединен с первым входом мультиплексора и через измерительный резистор, контактную площадку печатной платы соединен с первым выводом полномостового магниторезистивного чувствительного элемента и со вторым входом мультиплексора, второй выход прецизионного источника опорного напряжения через контактную площадку печатной платы соединен со вторым выводом полномостового магниторезистивного чувствительного элемента, третий и четвертый выводы которого через контактные площадки печатной платы соединены соответственно с третьим и четвертым входами мультиплексора.

На фиг. показана структурная схема бесконтактного интеллектуального датчика углового положения.

На фиг. показано:

1 - полномостовой магниторезистивный чувствительный элемент (разработка и изготовление ФГУП НПО автоматики).

2 - печатная плата предназначена для монтажа узлов датчика.

3 - измерительный резистор (резистор Р1-16-0,062-20 Ом±0,5%-0,5-Ж).

4 - прецизионный источник опорного напряжения (микросхема ADR441BRZ, ф. Analog Devices, США).

5 - регулятор напряжения (микросхема R-78A5.0-0.5SMD, ф. RECOM, Германия; микросхема MAX845ESA, ф. Maxim, США; трансформатор TGM240NS, ф. HALO, Electronics inc.; микросхема LR3990MF-3.3, ф. National Semiconductor).

6 - защита от обратного и перенапряжения (два дросселя SIMID1812-T В82432-Т1104-К, ф. ЕРСOS; варистор SIOV-CT0805K30G, ф. EPCOS AG; стабилитрон SMAJ40CA-TR, ф. ST Microelectronics; диод Шоттки MBRS1100T3, ф. ON Semiconductor; конденсатор 08051 С223МАТ2А, ф. AVX; резистор Pl-12-0,25-10 Ом±5%-Н).

7 - мультиплексор (микросхема ADG733BRU, ф. Analog Devices, США).

8 - инструментальный усилитель (микросхема INA326EA, ф. Texas Instruments, США).

9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

10 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

11 - микроконтроллер предназначен для программного управления узлами датчика.

12 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) предназначено для хранения программы загрузчика датчика.

13 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для хранения переменной информации в процессе выполнения программы датчика.

14 - Flash-память предназначена для энергонезависимого хранения рабочих программ и тарировочных параметров.

15 - интерфейс JTAG.

Функции узлов 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 реализованы на микросхеме MSP430FG4616IPZ, ф. Texas Instruments, США.

16 - преобразователь напряжения в ток (микросхема XTR117AIDGKT, ф. Texas Instruments, США).

17 - разъем печатной платы 2 (вилка ВН5-10).

18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 - контактные площадки печатной платы 2.

Питание от внешнего источника постоянного тока напряжением 27В±10% поступает на контактные площадки 22, 23 печатной платы 2 датчика.

Выходной аналоговый сигнал (4...20 мА) через контактную площадку 24 печатной платы 2 датчика поступает в систему автоматизированного управления.

Для отладки процессора MSP430FG4616IPZ используется интерфейс JTAG (работа организована в соответствии с требованиями американского стандарта IEEE 1.149.1-1990). Взаимодействие датчика с внешним персональным компьютером по JTAG происходит через разъем 17 печатной платы 2 датчика.

Мультиплексор 7, АЦП 9, ЦАП 10, микроконтроллер 11, ПЗУ 12, ОЗУ 13, Flash-память 14, интерфейс JTAG 15 обмениваются информацией между собой посредством общей магистральной шины. Интерфейс JTAG 15 вторым портом обменивается информацией с внешним персональным компьютером.

Печатная плата 2 и чувствительный элемент 1 закрепляются на неподвижной части (статоре) конструкции датчика, при этом с целью возможности оптимального расположения чувствительного элемента 1 по отношению к магнитной системе он соединяется с печатной платой гибкими проводами.

Магниты закрепляются на подвижной части (роторе) конструкции датчика.

В основу работы датчика заложено использование следующих достоинств полномостового магниторезистивного чувствительного элемента и измерительного резистора:

1. Высокая стабильность измерений с течением времени;

2. Линейная характеристика во всем температурном диапазоне.

Датчик работает следующим образом.

Питание от внешнего источника постоянного тока через узлы 6, 5, 4 и измерительный резистор 3 поступает на выводы питания полномостового магниторезистивного элемента 1.

По командам микроконтроллера 11 попеременно с выводов измерительного резистора 3 и с выходных выводов полномостового магниторезистивного чувствительного элемента 1 величины напряжений через мультиплексор 7 передаются на инструментальный усилитель 8, где производится нормирование снятых величин.

Затем аналоговая информация поступает в АЦП 9, где производится оцифровка аналоговой информации, которая поступает на микроконтроллер 11.

По результатам двух измерений микроконтроллер 11 по программе датчика формирует результирующую цифровую информацию, которая поступает в ЦАП 10, где производится преобразование цифровой информации в аналоговую.

Затем аналоговая информация (напряжение) поступает на преобразователь напряжения в ток 16 с выхода которого точная аналоговая информация в виде тока (4...20 мА) поступает в систему автоматизированного управления.

Предлагаемая схема датчика имеет диапазон измерения контролируемого угла поворота от 0 до 60°.

Точность определения углового положения составляет 0,4%. При использовании двух полномостовых магниторезистивных чувствительных элементов диапазон измерения контролируемого угла поворота составляет от 0 до 180°.

Бесконтактный интеллектуальный датчик углового положения, содержащий регулятор напряжения, защиту от обратного и перенапряжения, мультиплексор, инструментальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, Flash-память, последовательный интерфейс, преобразователь напряжения в ток, при этом входы защиты от обратного и перенапряжения соединены через контактные площадки печатной платы с источником постоянного тока, а его выходы соединены со входами регулятора напряжения, а первый выход дополнительно соединен с первым входом преобразователя напряжения в ток, выходы мультиплексора соединены со входами инструментального усилителя, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, выход цифроаналогового преобразователя соединен со вторым входом преобразователя напряжения в ток, выход которого через контактную площадку печатной платы соединен с системой автоматизированного управления, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, Flash-память, последовательный интерфейс соединены между собой шиной магистральной, второй порт последовательного интерфейса через разъем печатной платы может быть соединен с персональным компьютером, отличающийся тем, что он содержит полномостовой магниторезистивный чувствительный элемент, измерительный резистор, прецизионный источник опорного напряжения, при этом выходы регулятора напряжения соединены со входами прецизионного источника опорного напряжения, первый выход которого непосредственно соединен с первым входом мультиплексора и через измерительный резистор, контактную площадку печатной платы соединен с первым выводом полномостового магниторезистивного чувствительного элемента и со вторым входом мультиплексора, второй выход прецизионного источника опорного напряжения через контактную площадку печатной платы соединен со вторым выводом полномостового магниторезистивного чувствительного элемента, третий и четвертый выводы которого через контактные площадки печатной платы соединены соответственно с третьим и четвертым входами мультиплексора.