Устройство для бесконтактного измерения частоты вращения колеса транспортного средства

 

Использование: в измерительной технике и автоматике для измерения частоты вращения колеса транспортного средства, в частности автомобиля. Сущность изобретения: устройство для бесконтактного измерения частоты вращения колеса транспортного средства содержит кодовый монолитный зубчатый ферромагнитный диск из магнитомягкого материала со сторонним магнитом, в зоне которого находится чувствительный элемент в виде катушки индуктивности с насыщающимся сердечником, питаемый от источника высокой частоты блок преобразования, обеспечивающий получение на выходе электрического сигнала в виде импульсов различной временной длительности, и блок обработки сигналов. Блок преобразования построен на пассивных элементах и содержит три диода, резистор и катушку индуктивности. Благодаря особому расположению неподвижного магнита относительно сердечника чувствительного элемента - нейтраль магнита совпадает с осью симметрии торца сердечника - увеличена существенно глубина изменения индуктивности катушки при вращении диска. Это позволяет увеличить воздушные зазоры между подвижными частями устройства. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и автоматике и может быть использовано для измерения частоты вращения колеса транспортного средства, например автомобиля.

Известно устройство для измерения частоты вращения колеса [1] содержащее составной кодовый диск из двух зубчатых полюсных наконечников, установленный в зоне магнитного поля чувствительный элемент в виде тороидального трансформатора с насыщающимися сердечником и двумя обмотками возбуждения и сигнальной и преобразующее устройство, состоящее из двух электронных блоков.

Недостатками такого устройства являются сложность конструкции составного кодового диска, а также сложность устройства схемы преобразования полезного сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является датчик оборотов [2] содержащий кодовый ферромагнитный диск с аксиально намагниченными магнитами чередующейся полярности на наружной цилиндрической поверхности диска, в зоне магнитного поля которых находится чувствительный индуктивный элемент в виде насыщающегося магнитопровода, охватывающего своими концами разноименные полюса магнитов, с намотанной вокруг него электрической обмоткой, соединенной с содержащим инвертор и два усилителя преобразующим устройством, питающим обмотку напряжением высокой частоты, и обрабатывающий блок, который состоит из интегратора и преобразователя амплитуда-код и позволяет получить на выходе сигналы в виде импульсов, частота которых определяется частотой вращения кодового диска, а следовательно, и контролируемого колеса.

Недостатками этого устройства являются сложность конструкции составного кодового диска, сложность преобразующего электронного устройства с дополнительным источником питания и большим числом функциональных связей с чувствительным элементом, малая глубина изменения индуктивности катушки, что снижает эксплуатационную надежность в целом.

Цель изобретения упрощение конструкции и повышение надежности за счет выполнения кодового диска монолитным, особого расположения подмагничивающего магнита и существенного упрощения преобразующего устройства.

Для этого в устройстве для бесконтактного измерения частоты вращения колеса транспортного средства, содержащем кодовый зубчатый ферромагнитный диск, магнит, в зоне которого находится чувствительный элемент в виде катушки индуктивности с насыщающимся сердечником, блок преобразования, блок обработки сигналов, кодовый диск выполнен монолитным из магнитомягкого материала, магнит в виде четырехгранной призмы установлен с боковой поверхности диска в зоне чувствительного элемента и неподвижен относительно него, ось намагничивания магнита параллельна плоскости кодового диска и перпендикулярна его радиусу, нейтральная плоскость магнита является общей с плоскостью симметрии торцевой грани сердечника чувствительного элемента и проходит через центр диска, ось симметрии в направлении намагничивания грани магнита, параллельной плоскости диска, лежит в плоскости, проходящей через середину воздушного зазора между поверхностью зубца по внешней окружности диска и обращенной к этой поверхности плоскостью сердечника чувствительного элемента.

Блок преобразования построен на пассивных элементах и содержит три диода, конденсатор и резистор, начало обмотки чувствительного элемента подключено к первому входу блока преобразования, соединенного с катодом первого диода, анод которого одновременно соединен с катодом второго диода и через последовательно включенный конденсатор с вторым входом блока преобразования, анод второго диода соединен с концом обмотки чувствительного элемента, с катодом третьего диода и с первым выходом блока преобразования, анод третьего диода соединен с вторым выходом блока преобразования, а катод через последовательно включенный резистор с концом обмотки чувствительного элемента.

Упрощение конструкции кодового зубчатого диска, выполненного монолитным, простота блока преобразования, построенного на малом числе пассивных элементов с уменьшенным количеством функциональных связей, существенно упрощают все устройство и повышают его надежность.

Расположение стороннего магнита, при котором его нейтральная плоскость совмещена с плоскостью симметрии торцевой грани сердечника чувствительного элемента в предлагаемом устройстве, увеличивает глубину изменения индуктивности и позволяет по сравнению с прототипом работать с увеличенным воздушным зазором между подвижной и неподвижной частями устройства, что также повышает эксплуатационную надежность.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для измерения частоты вращения колеса транспортного средства; на фиг. 2 конструкция кодового диска с чувствительным элементом и сторонним магнитом; на фиг. 3 вид А на фиг. 2; на фиг. 4 магнит; на фиг. 5 электрическая схема блока преобразования; на фиг. 6 а и б диаграммы напряжений на катушке индуктивности и выходе преобразующего устройства.

Устройство содержит монолитный зубчатый кодовый диск 1 из магнитомягкого материала со сторонним магнитом, чувствительный элемент 2 в виде катушки индуктивности с насыщающимся сердечником в зоне магнитного поля магнита, блок 3 преобразования и блок 4 обработки сигналов.

Кодовый диск 1 (фиг. 2) выполняется монолитным из магнитомягкого материала, например феррита. Чувствительный элемент 2 представляет собой катушку 5 индуктивности с П-образным насыщающимся сердечником 6, например, из феррита. Магнит 7 в виде четырехгранной призмы расположен с боковой стороны диска 1 в зоне радиального воздушного зазора, который имеется между сердечником и зубцами 8 диска. Магнит неподвижен относительно сердечника. Ось симметрии боковой грани магнита, параллельной плоскости диска, вдоль оси намагничивания лежит в плоскости, перпендикулярной радиусу диска и проходящей через середину воздушного зазора между поверхностью зубца по внешней окружности диска и обращенной к этой поверхности плоскостью сердечника чувствительного элемента.

Нейтральная плоскость магнита является общей с плоскостью симметрии торцевой грани сердечника, параллельной плоскости диска, и проходит через центр кодового диска.

Ширина зубца в диске равна ширине впадины. Ширина сердечника 6 чувствительного элемента меньше ширины зубца 8 по наружной окружности диска.

На фиг. 5 показаны катушка 5 индуктивности с насыщающимся сердечником, диоды 10 12, конденсатор 13, резистор 14, входные клеммы 15 и 16 преобразующего блока и выходные клеммы 17 и 18 преобразующего блока.

Входом, на который подается напряжение высокой частоты, являются клеммы 15 и 16.

Выходом блока преобразования являются клеммы 17 и 18, т.е. клеммы 16 и 18 являются общими и для входа, и для выхода устройства.

Работа предлагаемого устройства основана на изменении индуктивности катушки чувствительного элемента при вращении кодового диска.

Примем за исходное первое крайнее угловое положение диска, при котором его зубец 8 находится напротив магнита 7 и перекрывает его. В этом положении свободные концы П-образного сердечника 6 чувствительного элемента замыкаются магнитопроводящим зубцом диска и индуктивность катушки максимальна, если не учитывать влияние магнита 7. Благодаря тому, что магнит 7 установлен неподвижно относительно сердечника 6, а его нейтральная плоскость лежит в плоскости торца сердечника 6, влияние магнитного поля на магнитное состояние сердечника незначительно и сердечник оказывается ненасыщенным. Если, например, удалить магнит 7, индуктивность катушки практически не изменится. При повороте диска на зубцовое деление против магнита 7 оказывается не зубец, а впадина, при этом полюса магнитов оказываются напротив соседних зубцов. Для магнита образуется замкнутая магнитная цепь и поток магнита пронизывает сердечник 6 чувствительного элемента и насыщает его. Индуктивность катушки при этом достигает своего минимума.

Как уже отмечалось при угловом положении кодового диска, когда его зубец 8 находится напротив магнита (первое крайнее положение), магнит пpактически не влияет на индуктивность, сердечник не насыщен.

В промежуточных положениях зубцов кодового диска относительно магнита 7 значение индуктивности катушки будет также промежуточным.

Изменение индуктивности катушки при вращении диска в дальнейшем используется в блоке преобразования.

От источника питания высокой частоты напряжение U_п в форме меандра (фиг. 6 а) подается на вход блока преобразования (клеммы 15 и 16, фиг. 5).

Если подаваемый на вход импульс имеет положительную полярность (как показано на фиг. 6 а) в интервале времени t₁ t₂, то в этом случае заряжается конденсатор 13 до потенциала источника питания U_п черед открытый диод 10.

Диод 11 при этом закрыт и не пропускает положительный импульс напряжения U_L на катушку 5 индуктивности чувствительного элемента и напряжение на выходе преобразующего устройства (клеммы 17 и 18) равно нулю.

В момент времени t₂ (фиг. 6 а, б и в) изменяется полярность входного напряжения. Диод 10 закрывается, а диод 11 открывается, и в катушку 5 индуктивности подается отрицательный импульс, амплитуда которого равна сумме U_L U_п + U_с где U_п амплитуда относительного импульса входного напряжения; U_с амплитуда напряжения на конденсаторе.

Практически происходит скачкообразное удвоение амплитуды напряжения отрицательного импульса. Через катушку 5 индуктивности при этом потечет ток, так как открыт диод 11 и создана замкнутая электрическая цепь. В катушке индуктивности происходит накопление электромагнитной энергии, которая пропорциональна индуктивности катушки L_к.

В течение действия отрицательного импульса в интервале времени t₂ t₃ напряжение на выходе преобразующего устройства (клеммы 17 и 18) остается практически равным нулю, так как диод 12 открыт и шунтирует выход преобразующего устройства.

В момент времени t₃ (фиг. 6 а) происходит изменение полярности входного импульса на противоположную положительную. Диод 11 запирается и остается закрытым в течение всей длительности входного положительного импульса до момента времени t₄.

Катушка 5 индуктивности с накопленной электромагнитной энергией в течение действия входного импульса положительной полярности в интервале времени t₃ t₄ остается отключенной от высокочастотного источника питания. Диод 12 при этом закрыт.

Периодически запасенная в катушке индуктивности электромагнитная энергия используется для создания на выходе устройства (клеммы 17 и 18) полезных информационных сигналов в виде импульсов различной временной длительности. Длительность импульса во времени зависит и определяется угловым положением зубцов кодового диска относительно сердечника катушки индуктивности.

Наблюдаемый переходный процесс, возникающий в катушке индуктивности в момент изменения отрицательной полярности входного сигнала на положительную, приводит к появлению на выводах 19 и 20 катушки индуктивности напряжения U_L, описываемого уравнением U_L= U_o·e где U_o напряжение на катушке индуктивности в момент изменения отрицательной полярности на положительную (момент времени t₃); τ- электромагнитная постоянная времени электрической цепи, определяемая по формуле τ где L_к индуктивность катушки; R активное сопротивление электрической цепи.

Напряжение U_L имеет вид импульса, изображенного на фиг. 6 б. Благодаря тому, что диод 12 закрыт, импульс напряжения с выводов катушки индуктивности практически без искажения (сопротивление резистора 14 мало, а сопротивление нагрузки на выходе велико) передается на выходные клеммы 17 и 18 устройства для последующей обработки.

Как следует из приведенного выше уравнения, временная длительность T выходного импульса зависит от индуктивности катушки и активного сопротивления электрической цепи.

Резистор 14 является согласующим элементом и совместно с собственной емкостью диода 12 служит для подавления затухающих высокочастотных колебаний.

Активное сопротивление при работе устройства остается практически постоянным, индуктивность же катушки изменяется и тем самым изменяется временная длительность выходного импульса.

При положении кодового диска, когда впадина диска находится напротив магнита 7 и сердечника 6 катушки индуктивности, сердечник магнитно насыщается и индуктивность катушки имеет минимальное значение L_кмин, следовательно, и электромагнитная постоянная, и временная длительность (ширина) выходного импульса T₁ также минимальны.

При повороте кодового диска в положение, когда зубец кодового диска перекрывает магнит и сердечник катушки, сердечник не насыщен и индуктивность катушки имеет максимальное значение L_кмакс, соответственно максимальна электромагнитная постоянная времени τ и временная длительность (ширина) выходного импульса T₂ (фиг. 6 в).

Периодическое изменение индуктивности катушки при повороте кодового диска позволяет определить частоту вращения кодового диска.

При повороте кодового диска на зубцовое деление, охватывающее ширину зубца и смежную ширину впадины, на выходе преобразующего устройства наблюдаются импульсы изменяющейся длительности от минимальной до максимальной.

Эта информация в виде электрических сигналов различной временной длительности подается далее на обрабатывающий блок. На выходе обрабатывающего блока получаем импульсы, измеряя число которых в единицу времени, определяем частоту вращения кодового диска и механически связанного с ним колеса транспортного средства.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ КОЛЕСА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, содержащее ферромагнитный зубчатый кодовый диск, постоянный магнит, установленный в зоне магнитного поля чувствительный элемент в виде катушки индуктивности с насыщающимся сердечником, блок преобразования, соединенный с чувствительным элементом и подключенный к источнику питания высокой частоты, и блок обработки сигналов, соединенный с выходом блока преобразования, отличающееся тем, что зубчатый кодовый диск выполнен монолитным из магнитомягкого материала, а постоянный магнит выполнен в виде четырехгранной призмы и установлен неподвижно с боковой стороны кодового диска, при этом ось намагничивания постоянного магнита параллельна плоскости кодового диска и перпендикулярна его радиусу, а нейтральная плоскость постоянного магнита совпадает с плоскостью симметрии торцевой грани сердечника чувствительного элемента и проходит через центр кодового диска, ось симметрии в направлении намагничивания грани постоянного магнита, параллельной плоскости кодового диска, лежит в плоскости, проходящей через середину воздушного зазора между внешней поверхностью зубца по окружности кодового диска и обращенной к этой поверхности плоскостью сердечника чувствительного элемента.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок преобразования содержит три диода, конденсатор и резистор, при этом анод первого диода соединен с катодом второго диода и через конденсатор с входом блока преобразования, анод второго диода соединен через резистор с катодом третьего диода и с выходом блока преобразования, катод первого диода и анод третьего диода соединены с началом катушки индуктивности чувствительного элемента, а анод второго диода с ее концом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6