Устройство для преобразования перемещений
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее якорь, два чувствительных элемента с обмотками , последовательно включенные источник питания и управляемый усилитель , выход которого подключен к последовательно-встречно соединенным первой и второй обмоткам, блок сравнения и вычислительный блок, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности за счет снижения чувствительности к нерабочим смещениям якоря, оно снабжено третьим чувствительным элементом с третьей обмоткой, включенной последовательновстречно с второй обмоткой, вторым якорем, смещенным в направлении преобразуемого перемещения относительно первого якоря, блоком отбора и запоминания аналогового сигнала, информационные входы которого подключены к первой и третьей обмоткам, а выход - к первому входу блока сравнения , второй вход которого подключен к второй обмотке, счетчиком, вычитающим вход которого подключен к выходу блока сравнения, а выход - к входу Бичислительного блока, тактовым генератором , выход которого подключен к установочному входу счетчика, генератором линейно изменяющегося напряжения , включенным между выходом тактового генератора и управляющим входом усилителя, и элементом задержО ) ки, включенным меж;1;у выходом тактового генератора и управляющим входом счетчика.
ССНОЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН
f5l)q С 01 В 7 00
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3588683/24-28 (22) 06.05.83 (46) 15.07.85. Бюл. Ф 26 (72) А.И.Никонов (71) Отдел физики и математики
Башкирского филиала AH СССР (53) 621.3 17.39:531.71(088.8) (56) 1. Федотов А.В. Расчет и проектирование индуктивных измерительных устройств, M., "Машиностроение", 1979, с. 43 и 45, 133-134, рис. 8 б и 52 в.
2. Авторское свидетельство СССР
N 8773 19, кл. G 01 В 7/00, 1980 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее якорь, два чувствительных элемента с обмотками, последовательно включенные источник питания и управляемый усилитель, выход которого подключен к последовательно-встречно соединенным первой и второй обмоткам, блок сравнения и вычислительный блок, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности за счет снижения чувствительности к нерабочим смещениям якоря, оно снабжено третьим чувствительным элементом с третьей обмоткой, включенной последовательновстречно с второй обмоткой, вторым якорем, смещенным в направлении преобразуемого перемещения относительно первого якоря, блоком отбора и запоминания аналогового сигнала, информационные входы которого подключены к первой и третьей обмоткам, а выход — к первому входу блока сравнения, второй вход которого подключен к второй обмотке, счетчиком, вычитающим вход которого подключен к выходу блока сравнения, а выход — к входу вичислительного блока, тактовым генератором, выход которого подключен к установочному входу счетчика„ генератором линейно изменяющегося напряжения, включенным между выходом тактового генератора и управляп1щим входом усилителя, и элементом задерж ки, включенным между выходом тактового генератора и управляющим входом счетчика.
1167417
Изобретение относится к технике измерительного преобразования перемещений с применением электромагнитных чувствительных элементов и может быть использовано в системах управпе- ния, контроля и измерения различных физических величин, Известно устрайстно для преобразования перемещений, содержащее источник йй яния,;, якорь, чувстви- 10 тельные элемент гобмотки которых .включены н мостЬйую схему, содержагдую также компеиса11ионные элементы г11.
Однако .известное устройство характеризуется низкой точностью 15 преобразования, обусловленной наличием значительной чувствительности к нерабочим смещениям якоря.
Наиболее близким к изобретения по технической сущности является .устрой-2О ство длл преобразования перемещений, содержащее якорь, два чувствительных элемента с обмотками, последовательно включенные источник питания и управляемый усилитель, выход которого под-25 ключеи к последовательно-встречно соединенным тгервой и второй обмоткам, вьгчислительный блок сравнения, один из нходав которого подключен к источнику опорного напряжения, другой — к ЗО обмотке чувствительного элемента, я выход — к упрянллющему усилителю (2j.
Недостаток данного устройства зяк— лючяетсл н низкой точности преобразования, что обусловлено наличием значительной чувствительности к нерабочим смещениям якоря.
Цель изобретения — повышение точности преобразования за счет снижения чувствительности к нерабочим смещениям4 якоря.
Поставленная цель достигаетcR тем, :гто устройство для преобразования перемещений, содержащее якорь, два чувствительных элемента с обмотками, последовательно включенные источник питания и управляемый усилитель, выход которого подключен к последовательно-встречно соединенным первой и второй обмоткам, блок сравнения qp и вычислительный блок, снабжена третьим чувствительным элементам с третьей обмоткой, включенной последовательно-нстречно с.второй обмоткой, вторым якорем, смещенным н иапрявле- у нии преобразуемого перемещения атно= сительно первого якоря, блоком отбора и запоминания аналогового сигнала, иифармяпиаиньге входы которого подклю гены к первой и третьей обмоткам, а выходы — к первому входу блока сравнения, второй вход которого подк.лючен к второй обмотке, счетчиком, вьгчитяющий вход которого подключен к выходу блока сравнения, а выход к входу вьгчиспительиога блока, тактовым генератором, вьгхад которого подключен к установочному входу счетчика, генератором линейно изменяющегося напряжения, включенным между выходом тактового генератора и упранлякгщим входом усилителя, и элементом задержки, включенным между выходом тактового генератора и управляющим входом счетчика.
Ня фиг. 1 ггзабражеия блок-схема предлагаемого устройства; иа фиг. 2 зависимости уг-авней выходных разнастиых сигналов обмоточных пяр ат рабочего перемешеиия х.
Устройство содержит источник 1 питания переменнаго тока, который через управляемый усилитель 2 связан с последов".тельна-встречно включенными первой 3, второй 4 и третьей 5 обмотками соответственно первого 6, второго 7 и третьего Я чувствительных элементов с иеподвижггыми ферромагнитными сердечниками, Подвижная часть устройства состоит из первого
9 и второго 10 якорей, выполненных их мягиитоироводного материала, скрепленных перемычкой, обеспечивающей их взаимное смеще (HQ в направлении преобразуемого перемещения, обмотки 3 и 4 образуют первую обмоточную пару., я обмотки 4 и 5 — вторую.
Устройства содержит также блок 11 срявиеиил, блок 12 отбора и запоминания аналогового сигнала, информационные входы которого соединены с первой обмоточной парой 3 и 4, а выход подключен к первому входу блока 11 сравнения, к второму входу каторога подключена вторая обмоточная лара 4 и 5, счетчик 13, вычитающий вход которого подключен к выходу блока 11 сравнения, тактовый генератор 14, подключенггьггг к управляющему входу блока 12 отбора и запоминания аналогового сигнала, генератор 15 линейно изменяющегося напряжения, подключенный входом к вьгхаду генератора 14, элемент 16 задержки, включенный между выхода генератора
14 и управляющим входом счетчика 13, 1167 з и вычислительный блок 17, подключенный к выходу счетчика 13.
Устройство работает следующим образом.
Амплитуду I переменного тока 5
i< = I>oos2 ft (f-частота тока, питающего обмотки 3-5) периодически изменяют путем подачи на управляющий вход управляемого усилителя 2 выходного напряжения П„ генератора 15, 10 синхронизируемого тактовым генератором 14, соответственно изменяется и напряжение переменного тока, прикладываемое к обмоткам 3-5. Выходным импульсом U<< генератора 14 начинают очередной цикл преобразования дли.тельностью Тц. В пределах рабочего хода длительностью Т генератора 15 амплитуда I тока, питающего обмотки
3-5, линейно убывает (соответственно 20 линейному изменению выходного напряжения генератора 15), Iz(t)=-g(Tо t) О t - То (1) где g â€,коэффициент пропорциональности, определяемый элемен- 25 тами схем источника 1 питания, генератора 15 и управляемого усилителя 2.
В момент с = 0 начала очередного цикла преобразования 30
I,(0) =т,=8Т,, Отсчет рабочей координаты х подвижной части привязан к положению первого якоря 9. Для определенности величина взаимного смещения подвижнойЗ части первого 9 и второго 10 якорей показана на фиг. 1 равной расстоянию от центра пары чувствительных элементов 6 и 7 до центра чувствительного элемента 7, а. значение х = О, зави- 4, сящее от конкретных соотношений размеров и значений электромагнитных параметров чувствительных элементов
6-8, от расстояний между ними, а также между первым 9 и вторым 10 яко-45 рями, отнесено к центру пары, содержащей первый 6 и второй 7 чувствительные элементы (фиг. 1).
Работа устройства рассматривается для координаты х подвижной части. В 50 момент, когда ток i> имеет максимальную амплитуду Iq, с выводов первой обмоточной пары 3 и 4 снимают разность напряжений переменного тока
U>< с амплитудой V на встречно 55 включенных обмотках 3, 4, а с выводом второй обмоточной пары 4,5 — разность напряжений переменного тока с амплитудой V4 на обмотках
4 и 5. При этом, как видно из схемы включения обмоток 3-5, а также расположения чувствительных элементов
6-8 и якорей 9 и 10 (фиг. 1), первая и вторая обмоточные пары имеют обратные одна относительно другой зависимости своих выходных .Разностных напряжений от перемещения подвижной части. В интервале 0 4 х 2W линейной апроксимации эти зависимости имеют вид
= -IKX +2IgKW
9+ (2)
V <5 оКХ 1 (3) где W — координата подвижной части, соответствующая равенству выходных напряжений первой и второй обмоточных пар при одинаковых значениях питающего их тока, т.е. для X„ = W справедливо равенство э
К - коэффициент пропорциональности, определяемьй размерами чувствительных элементов 6-8, якорей 9, 10, а также их электромагнитными свойствами.
Величина коэффициента К = K(d"ó ) зависит о поперечных смещений d z подвижной части, изменяющих номинальный зазор д„ между неподвижными сердечниками чувствительных элементов 6 — 8 и якорями 9 и 10. Следовательно, согласно выражениям (2), (3), напряжения Uq, U 34 зФ V« = V«(X, a"„<, I,). Зависимости V + (Х, " Q ), Ч (Х, У, I ) при Фиксированном нерабочем смещении d" = const графически изображены на фиг. 2 сплошными линиями; штриховыми линиями показано, что при изменении (для определенности соответствующем уменьшению зазора между чувствительньтми элементами 6-8 и якорями 9, 10) величины поперченого смещения Р„ (Cd>> положение укаэанных графиков меняется. Поперечные нерабочие смещения могут происходить в любых направлениях любых показателей, перпеь 1167417 дикулярных рабочей оси х например„ в плоскости (р х 1 у х .ф ) ° Поскольку в момент начала очередного цикла преобразования амплитуд5 ное значение питающего тока I< максимально, наибольшими для данной рабочей координаты х (а также для имеющегося в данный момент нерабочего поперечного смещения d > подвижной части) оказываются и уровни У г1(х + z> Хо) U3ga d 3z > Io) = И4 а (фиг ° 2) ° Выходное напряжение первой обмоточной пары И дискретизируют, подавая на управляющий вход блока 12 выходной импульс тактового генератора 14, когда величина амплитуды питающего тока i имеет максималь2 ное значение, Дискретиэированный уровень Ц, поддерживают затем на вьгсоде блока 12 или, что то же самое на первом входе блока 11 сравнения, неизменным. Это постоянное напряжение сравнивается с переменным выходным напряженнсм U 5 второй обмоточной пары, подаваемым на второй вход блока 11 сравнения. Поскольку в момент дискретизации амплитуда 11+ (г) выходного напряжения явторой обмоточной пары превьпиает постоянный уровень Па с (фиг (в точке Х = N имеет место равен1 ство U = U ), то при линейном 35 уменьшении выхоцного напряжения генератора 15 и соответствующем ему снижении амплитуды питающего тока Т в интервале времени от t = О 2 до момента t сравнения V+ (t, ) 40 — блок 11 сравнения выдает . 3 (б импульсные сигналы U c частотой питающего тока Таким образом результат сравнения выделяется в виде временного интер45 вала tх, заполненного импульсами (4) г.р< пх zs где rZ 1/Г период тока. n„- число импульсов, поступивших от блока 11 сравнения на вход счет- 50 чика 13 от момента дискретизации до момента сравнения После того, как амплитуда U станет меньше дискретизированного напряжения U изменений выходных 55 состояний блока 11 сравнения происходить уже не будет, и поступление импульсов в счетчик 13 прекратится. Если подвижная часть находится в положении х „ = У, то в момент 0 уровни U è U уже оказываются равными друг другу, и их сравнение происходит одновременно с дискретизацией напряжения U „, т.е, t 0 H ï„ = О. Равенство подаваемых на входы блока 11 сравнения напряжений ЦЗЕ и эцио в момент t „>, О выражается с помощью соотношений (2), (3) следующим образом I.2,(„) 1с (с "»)х„= -Пс(, ц,)х„+ +2I,1с(г"у )И, (5) 2I o I х„=M --M - -------—I,(„)+Iо ™ (6) яТ, где Ь = -- = — — — постоянная вели2Т 2Т чина, выражаемая через известные значения То, Т . Число выходных импульсов пх блока 11 сравнения подсчитывается с помощью счетчика 13. Поскольку для определения координаты подвижной части необходимо не просто подсчитать это чис . ло, а произнести арифметические операции, предусмотренные выражением (6), импульсы от блока 11 сравнения подают на вычитающий вход счетчика 13, причем начальный момент очередного цикла преобразования, соответствующий выдаче выходного импульса так гового генератора 14, а счетчик 13 по его установочному входу заносят код единицы. После окончания рабочего хода генератора 15 от элемента 16 задержки, время задержки фронта входного импульса которого составляет Т, на управляющий вход счетчика 13 поступает сигнал U занесения содержимого счетчика 13 — кода (1- hn>) в вычислительный блок,17, где выполляется арифметическая операция деления числа W на число (1-hn ), поступившее из счетчика 13. В результате на выходе вычислительного блока 17 формируется число (код) Х координаты подвижной части по оси рабочих перемещений. Во время нелинейного нарастания выходного напряжения генератора 15 откуда, используя выражения (1) и (4), определяют величину координаты подвижной части 1167417 15 происходящего на интервале длительностью (Т -Т ), завершающем цикл преобразования, амплитуды переменного напряжения U вновь начинают превышать дискретизированный уровень и блок 11 сравнения вновь выдает 9 о импульсы в счетчик 13, Однако это происходит уже после того, как содержимое (1-hn„) счетчика 13 быпо передано в вычислительный блок 17, а код единицы, заносимый в счетчик 13 по началу каждого нового цикла преобразования, устраняет из счетчика 13 содержащуюся в нем информацию, поступившую в интервале (Тц-Т„). В следующем за описанным цикле (Т„-2Т ) процесс преобраэ ования происходит аналогично. Разницей уровней напряжения U в интервалах (О-T ) и (Т -2Т ) условно показано возмож- 2п ное изменение рабочей координаты подвижной части в новом цикле преобразования, соответственно чему принимают новые значения длительность интервала t» заполненного выходными импульсами блока 11 сравнения, а также амлитуды выходных напряжений U>ä, Uq первой и второй обмоточных пар. Из фиг. 2 и выражения (6) видно, что рабочий диапазон преобразования соответствует участку W с Х 6 2W. При необходимости нулевого отсчета результата преобразования в вычислительном блоке 17 после выполнения операций деления по формуле (6) предусматривается проведение, операции "уменьшать на W<, что соответствует переходу к рабочей координате Х =Х-W (т.е ° Х = Х, — W) и к рабочему диапазону преобразования О Х И. Изобретение позволяет повысить точность преобразования перемещений за счет. устранения зависимости выходной величины от нерабочих смещений прдвижной части. 1167417 ОР(бу 2ТцКфдл Х Составитель В. Николаев Редактор М. Келемеш ТехредЖ.Кастелевич Корректор М. Розман Заказ 4423/38 Тираж 651 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 1 1 3035 > Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4 /5 Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4
