Hjulhastighetssensor
En hjulhastighetssensor ( WSS ) eller fordonshastighetssensor ( VSS ) är en typ av varvräknare . Det är en avsändarenhet som används för att läsa hastigheten på ett fordons hjulrotation . Den består vanligtvis av en tandring och pickup.
Hjulhastighetssensor för fordon
Syfte
Hjulhastighetssensorn användes initialt för att ersätta den mekaniska länken från hjulen till hastighetsmätaren, vilket eliminerade kabelbrott och förenklade mätarkonstruktionen genom att eliminera rörliga delar. Dessa sensorer producerar också data som gör att automatiska körhjälpmedel som ABS kan fungera.
Konstruktion
Det vanligaste hjulhastighetssensorsystemet består av en ferromagnetisk tandad relutorring (tonhjul) och en sensor (som kan vara passiv eller aktiv).
Tonhjulet är vanligtvis tillverkat av stål och kan vara en friluftsdesign eller förseglad (som i fallet med enhetliga lagerenheter). Antalet tänder väljs som en avvägning mellan låghastighetsavkänning/noggrannhet och höghastighetsavkänning/kostnad. Större antal tänder kommer att kräva fler bearbetningsoperationer och (i fallet med passiva sensorer) producera en högre frekvens utsignal som kanske inte är lika lätt att tolka i den mottagande änden, men ger en bättre upplösning och högre signaluppdateringshastighet. I mer avancerade system kan tänderna vara asymmetriskt formade för att sensorn ska kunna skilja mellan framåt- och bakåtrotation av hjulet.
En passiv sensor består typiskt av en ferromagnetisk stav som är orienterad för att skjuta ut radiellt från tonhjulet med en permanentmagnet i den motsatta änden. Staven är lindad med fin tråd som upplever en inducerad växelspänning när tonhjulet roterar, eftersom tänderna interfererar med magnetfältet. Passiva sensorer matar ut en sinusformad signal som växer i storlek och frekvens med hjulhastigheten.
En variant av den passiva sensorn har ingen magnet som stöder sig utan snarare ett tonhjul som består av alternerande magnetiska poler som producerar växelspänningen. Utsignalen från denna sensor tenderar att likna en fyrkantsvåg snarare än en sinusform, men ökar fortfarande i storlek när hjulens hastighet ökar.
En aktiv sensor är en passiv sensor med signalkonditioneringskretsar inbyggda i enheten. Denna signalkonditionering kan förstärka signalens storlek; ändra signalens form till PWM , fyrkantsvåg eller andra; eller kodning av värdet i ett kommunikationsprotokoll före överföring.
Variationer
Fordonshastighetssensorn (VSS) kan vara, men är inte alltid, en sann hjulhastighetssensor. Till exempel, i Ford AOD -växellådan, är VSS monterad på bakaxelns förlängningshus och är en fristående tonring och sensor. Även om detta inte ger hjulhastigheten (eftersom varje hjul i en axel med en differential kan rotera med olika hastigheter och inte enbart är beroende av drivaxeln för dess sluthastighet), är detta under typiska körförhållanden tillräckligt nära för att ge hastighetsmätarsignal, och användes för bakhjulets ABS-system på 1987 och nyare Ford F-Series , de första pickuperna med ABS.
Speciella hastighetssensorer
Vägfordon
Hjulhastighetssensorer är en kritisk komponent i låsningsfria bromssystem .
Roterande hastighetssensorer för järnvägsfordon
Många av delsystemen i ett rälsfordon, såsom ett lokomotiv eller multipelenhet , är beroende av en pålitlig och exakt rotationshastighetssignal, i vissa fall som ett mått på hastigheten eller förändringar i hastigheten. Det gäller i synnerhet dragkontroll , men även hjulslidskydd , registrering, tågkontroll, dörrkontroll och så vidare. Dessa uppgifter utförs av ett antal roterande hastighetssensorer som kan finnas i olika delar av fordonet.
Hastighetssensorfel är frekventa och beror främst på de extremt tuffa driftsförhållandena som förekommer i järnvägsfordon. De relevanta standarderna specificerar detaljerade testkriterier, men i praktisk drift är villkoren ofta ännu mer extrema (såsom stötar / vibrationer och särskilt elektromagnetisk kompatibilitet (EMC)).
Roterande hastighetssensorer för motorer
Även om järnvägsfordon ibland använder drivningar utan sensorer, behöver de flesta en rotationshastighetssensor för sitt regulatorsystem. Den vanligaste typen är en tvåkanalssensor som avsöker ett kugghjul på motoraxeln eller växellådan som kan vara avsedd för detta ändamål eller som redan finns i drivsystemet.
Moderna Hall-effektsensorer av denna typ använder sig av principen om magnetfältsmodulering och är lämpliga för ferromagnetiska målhjul med en modul mellan m =1 och m = 3,5 (DP=25 till DP=7). Tändernas form är av underordnad betydelse; målhjul med evolvent eller rektangulär kuggning kan skannas. Beroende på hjulets diameter och tänder är det möjligt att få mellan 60 och 300 pulser per varv, vilket är tillräckligt för drivningar med lägre och medelhög dragprestanda.
Denna typ av sensor består normalt av två halleffektsensorer , en sällsynt jordartsmagnet och lämplig utvärderingselektronik. Magnetens fält moduleras av de passerande måltänderna. Denna modulering registreras av Hall-sensorerna, omvandlas av ett komparatorsteg till en fyrkantsvågssignal och förstärks i ett drivsteg.
Tyvärr varierar Hall-effekten mycket med temperaturen. Givarnas känslighet och även signalförskjutningen beror därför inte bara på luftgapet utan även på temperaturen. Detta minskar också det maximalt tillåtna luftgapet mellan sensorn och målhjulet mycket. Vid rumstemperatur kan ett luftspalt på 2 till 3 mm tolereras utan svårighet för ett typiskt målhjul med modul m = 2, men i det erforderliga temperaturområdet från −40 °C till 120 °C det maximala gapet för effektiv signalregistrering sjunker till 1,3 mm. Mindre pitch-målhjul med modul m = 1 används ofta för att få en högre tidsupplösning eller för att göra konstruktionen mer kompakt. I detta fall är det maximalt möjliga luftgapet endast 0,5 till 0,8 mm.
För konstruktören är det synliga luftgapet som sensorn hamnar i främst resultatet av den specifika maskinkonstruktionen, men är föremål för de begränsningar som krävs för att registrera rotationshastigheten. Om detta innebär att den eventuella luftspalten måste ligga inom ett mycket litet område, kommer detta också att begränsa de mekaniska toleranserna för motorhuset och målhjulen för att förhindra signalavbrott under drift. Detta betyder att det i praktiken kan uppstå problem, särskilt med mindre lutande målhjul av modul m = 1 och ofördelaktiga kombinationer av toleranser och extrema temperaturer. Ur motortillverkarens synvinkel, och ännu mer operatören, är det därför bättre att leta efter hastighetssensorer med ett bredare luftgapområde.
Den primära signalen från en Hall-sensor tappar amplituden kraftigt när luftgapet ökar. För Hall-sensortillverkare innebär detta att de måste ge maximal möjlig kompensation för Hall-signalens fysiskt inducerade offsetdrift. Det konventionella sättet att göra detta på är att mäta temperaturen vid sensorn och använda denna information för att kompensera förskjutningen, men detta misslyckas av två anledningar: för det första för att driften inte varierar linjärt med temperaturen, och för det andra för att inte ens tecknet på driften är densamma för alla sensorer.
Vissa sensorer erbjuder nu en integrerad signalprocessor som försöker korrigera förskjutningen och amplituden för Hall-sensorsignalerna. Denna korrigering möjliggör ett större maximalt tillåtet luftgap vid hastighetsgivaren. På ett modul m = 1 målhjul kan dessa nya sensorer tolerera ett luftgap på 1,4 mm, vilket är bredare än det för konventionella hastighetssensorer på modul m = 2 målhjul. På ett modul m = 2 målhjul kan de nya hastighetssensorerna tolerera ett gap på så mycket som 2,2 mm. Det har också varit möjligt att markant öka signalkvaliteten. Både arbetscykeln och fasförskjutningen mellan de två kanalerna är minst tre gånger så stabil inför fluktuerande luftgap och temperaturdrift. Dessutom har det, trots den komplexa elektroniken, också varit möjligt att öka medeltiden mellan fel för de nya hastighetssensorerna med en faktor tre till fyra. Så de ger inte bara mer exakta signaler, deras signaltillgänglighet är också betydligt bättre.
Ett alternativ till Hall-effektsensorer med kugghjul är sensorer eller kodare som använder [magnetoresistans]. Eftersom målhjulet är en aktiv flerpolig magnet kan luftgap vara ännu större, upp till 4,0 mm. Eftersom magnetoresistiva sensorer är vinkelkänsliga och amplitudokänsliga, ökar signalkvaliteten jämfört med Hall-sensorer i applikationer med fluktuerande gap. Signalkvaliteten är också mycket högre, vilket möjliggör [interpolation] inom sensorn/kodaren eller av en extern krets.
Motorgivare med integrerade lager
Det finns en gräns för antalet pulser som kan uppnås av Hall-sensorer utan integrerade lager: med ett målhjul med en diameter på 300 mm är det normalt inte möjligt att komma över 300 pulser per varv. Men många lokomotiv och elektriska multipelenheter (EMU) behöver ett högre antal pulser för att traktionsomvandlaren ska fungera korrekt, till exempel när det finns snäva begränsningar på traktionsregulatorn vid låga hastigheter.
Sådana Hall-effektsensortillämpningar kan dra nytta av inbyggda lager, som kan tolerera ett luftgap som är många storleksordningar mindre på grund av det kraftigt minskade spelet på själva sensorn i motsats till det för motorlagret. Detta gör det möjligt att välja en mycket mindre stigning för mätskalan, ända ner till modul m = 0,22. På samma sätt erbjuder de magnetoresistiva sensorerna ännu högre upplösning och noggrannhet än Hall-sensorer när de är implementerade i motorgivare med integrerade lager.
För ännu större signalnoggrannhet kan en precisionskodare användas.
Funktionsprinciperna för de två kodarna liknar varandra: en flerkanalig magneto-resistiv sensor skannar ett målhjul med 256 tänder och genererar sinus- och cosinussignaler . Arktangensinterpolation används för att generera rektangulära pulser från sinus/cosinussignalperioderna. Precisionskodaren har även amplitud- och offsetkorrigeringsfunktioner. Detta gör det möjligt att ytterligare förbättra signalkvaliteten, vilket avsevärt förbättrar dragregleringen.
Hastighetssensorer på hjulsatsen
Lagerlösa hjulset hastighetssensorer
Lagerlösa hastighetssensorer kan finnas i nästan varje hjuluppsättning av ett järnvägsfordon. De används huvudsakligen för glidskydd och levereras vanligtvis av tillverkaren av glidskyddssystemet. Dessa sensorer kräver ett tillräckligt litet luftgap och måste vara särskilt tillförlitliga. En speciell egenskap hos rotationshastighetssensorer som används för hjulslidskydd är deras integrerade övervakningsfunktioner. Tvåtrådssensorer med en strömutgång på 7 mA/14 mA används för att upptäcka trasiga kablar. Andra konstruktioner ger en utspänning på cirka 7 V så snart signalfrekvensen faller under 1 Hz. En annan metod som används är att detektera en 50 MHz utsignal från sensorn när strömförsörjningen periodiskt moduleras vid 50 MHz. Det är också vanligt att tvåkanalssensorer har elektriskt isolerade kanaler.
Ibland är det nödvändigt att ta bort hjulslidskyddssignalen vid dragmotorn, och utfrekvensen är då ofta för hög för hjulslidskyddselektroniken. För denna applikation kan en hastighetssensor med inbyggd frekvensdelare eller encoder användas.
Hjulsats pulsgenerator med integrerat lager
Ett järnvägsfordon, särskilt ett lok , har många delsystem som kräver separata, elektriskt isolerade hastighetssignaler. Det finns vanligtvis varken tillräckligt med monteringsplatser eller tillräckligt med utrymme där separata pulsgeneratorer kan installeras. Flerkanaliga pulsgeneratorer som är flänsmonterade på lagerskålar eller kåpor på hjulset erbjuder en lösning. Att använda ett antal lagerlösa hastighetssensorer skulle också innebära ytterligare kablar, som helst bör undvikas för utomhusutrustning eftersom de är så känsliga för skador, till exempel från flygande banballast .
Optisk sensor
Från en till fyra kanaler kan implementeras, varvid varje kanal har en fotosensor som avsöker ett av högst två signalspår på en slitsad skiva. Erfarenheten visar att det möjliga antalet kanaler som kan uppnås med denna teknik fortfarande inte är tillräckligt. Ett antal delsystem måste därför nöja sig med genomslingade signaler från hjulslidskyddselektroniken och tvingas därför acceptera till exempel det tillgängliga antalet pulser, även om en separat hastighetssignal mycket väl kan ha vissa fördelar.
Användningen av optiska sensorer är utbredd inom industrin. Tyvärr har de två grundläggande svagheter som alltid har gjort det mycket svårt att få dem att fungera tillförlitligt under ett antal år, nämligen – de optiska komponenterna är extremt känsliga för smuts och – ljuskällan åldras för snabbt.
Även spår av smuts minskar avsevärt mängden ljus som passerar genom linsen och kan orsaka signalbortfall. Dessa kodare måste därför vara mycket väl förseglade. Ytterligare problem uppstår när pulsgeneratorerna används i miljöer där daggpunkten passeras: linserna imma och signalen avbryts ofta.
Ljuskällorna som används är lysdioder (LED). Men lysdioder är alltid föremål för åldrande, vilket under några år leder till en märkbart minskad stråle. Försök görs att kompensera för detta genom att använda speciella regulatorer som gradvis ökar strömmen genom lysdioden, men tyvärr påskyndar detta åldringsprocessen ytterligare.
Magnetisk sensor
Principen som används vid magnetisk avsökning av en ferromagnetisk mätskala uppvisar inte dessa brister. Under många års erfarenhet av att använda magnetgivare har det förekommit tillfällen då en tätning har gått sönder och en pulsgenerator har visat sig vara helt täckt av ett tjockt lager av bromsdamm och annan smuts, men sådana pulsgeneratorer fungerade fortfarande perfekt.
Historiskt sett kostar magnetiska sensorsystem mer än optiska system, men denna skillnad minskar snabbt. Magnetic Hall och magnetoresistiva sensorsystem kan bäddas in i plast eller ingjutningsmaterial , vilket ökar den mekaniska tillförlitligheten och eliminerar skador från vatten och fett.
Hjulhastighetssensorer kan också inkludera hysteres . Detta undertrycker alla främmande pulser när fordonet står stilla.
Pulsgeneratorer konstruerade enligt denna princip har framgångsrikt fälttestats av flera järnvägsoperatörer sedan början av 2005. Typprovet enligt EN 50155 har också genomförts framgångsrikt, så att dessa pulsgeneratorer nu kan levereras.
Hjulsats pulsgeneratorer med integrerade lager för boggier med invändig tapp
Invändiga boggier ställer speciella krav på pulsgeneratorns konstruktör eftersom de inte har något lagerlock på änden för att fungera som grund för att registrera hjulsatsens axels rotation. I detta fall måste pulsgeneratorn monteras på en axeltapp som är fäst vid hjulsatsen och förses med en momentomvandlare ansluten till boggiramen för att förhindra att den roterar.
Den extrema vibrationen på denna plats leder till en avsevärd belastning på pulsgeneratorns lager, som med denna installationsmetod måste bära inte bara den relativt lilla massan av pulsgeneratorns axel utan hela pulsgeneratorns massa. När vi tänker på att lagrets livslängd minskar med åtminstone tredje potensen av belastningen kan vi se att en pålitlig och hållbar pulsgenerator för en sådan situation inte bara kan anpassas från den vanligare standardpulsgeneratorn för boggier med utvändig axel enbart genom att montera och mellanfläns eller liknande konstruktion. Det är verkligen nödvändigt att ha en pulsgenerator med en modifierad design anpassad till kraven på en sådan plats.
Hastighetssensorer för icke-magnetiska målhjul eller applikationer som producerar spån
Vissa transportföretag ställs inför ett speciellt problem: den cirkulerande luften som håller motorerna sval bär spån som nöts från hjul och rälsen. Detta samlas på magnetiska sensorers huvuden. Det finns också allt fler motorer där sensorer måste skanna av aluminium , till exempel för att pumphjulen är gjorda av en aluminiumlegering och tillverkaren inte vill behöva krympa på en separat ferromagnetisk kuggkrans.
För dessa applikationer finns hastighetssensorer tillgängliga som inte kräver en målmagnet. Ett antal sändnings- och mottagningsspolar används för att generera ett elektriskt växelfält med en frekvens i storleksordningen 1 MHz och moduleringen av kopplingen mellan sändare och mottagare utvärderas sedan. Denna sensor är installations- och signalkompatibel med de magnetiska sensorerna; för de flesta vanliga målhjulsmodulerna kan enheterna enkelt bytas ut utan att några andra åtgärder behövs.
Hastighetssensorer med interpolation
Kunderna vill ofta ha ett högre antal pulser per varv än vad som kan uppnås i det tillgängliga utrymmet och med den minsta modulen m = 1. För att uppnå detta mål finns sensorer som erbjuder interpolation. Dessa ger en effekt på 2-64X det ursprungliga antalet kugghjul eller magnetiska poler på målhjulet. Noggrannheten är beroende av kvaliteten på sensorinmatningen: Hallsensorer är lägre kostnad, men lägre noggrannhet, magnetoresistiva sensorer är högre kostnader, men högre noggrannhet.