Электромагнитное устройство для измерения перемещений

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения осевого положения ротора, разности тепловых расширений ротора и статора, абсолютных удлинений корпуса турбин электростанций, определения пространственного положения управляющих элементов, в системах очувствления роботов во всех отраслях машиностроения. Целью изобретения является повышение точности устройства для измерения перемещений, которая достигается за счет цифровой обработки сигналов вихретокового преобразователя. Напряжение колебаний генератора 1 высокой частоты поступает на возбуждающую обмотку 3 вихретокового преобразователя 2, в измерительных обмотках 4 и 7 которого возникает ЭДС, зависящая от электрофизических свойств объекта контроля, его геометрических размеров, зазора между объектом контроля и преобразователем 2. ЭДС обмоток поступает на детекторы 5 и 8, с выходов которых выпрямленное и усиленное напряжение поступает на АЦП 6 и 9, откуда подается на адресные входы ПЗУ 11 блока 10 обработки сигналов АЦП 6 и 9. На выходе ПЗУ формируется число, определяющее положение объекта контроля на каком-либо из периодов функции обмоток токовихревого преобразователя 2. При переходе объектом контроля границы периода изменяется старший разряд ПЗУ 11, что влечет за собой изменение на единицу числа, находящегося в счетчике и являющегося номером периода, на котором в данный момент находится объект контроля. 2 з.п. ф-лы. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 246 А1 (59 4 G 01 В 7 08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фиг.!

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4349752/24-28 (22) 19.11.87 (46) 30.05.89. Бюл. №. 20 (7I) Научно-исследовательский институт интроскопии (72) Д. В, Войнов и Д. С. Костров (53) 531.717 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1226270, кл. G 01 1 27/90, 1986.

Авторское свидетельство СССР № 1193446, кл. G 01 В 7/02, 1985. (54) ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕШЕНИЙ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения осевого положения ротора, разности тепловых расширений ротора и статора, абсолютных удлинений корпуса турбин электростанций, определения пространственного положения управляющих элементов, в системах очувствления роботов во всех отраслях машиностроения. Целью изобретения является повышение точности устройства для измерения перемещений, которая достигается за

2 счет цифровой обработки сигналов вихретокового преобразователя. Напряжение колебаний генератора 1 высокой частоты поступает на возбуждающую обмотку 3 вихретокового преобразователя 2, в измерительных обмотках 4 и 7 которого возникает ЭДС, зависящая от электрофизических свойств объекта контроля, его геометрических размеров, зазора между объектом контроля и преобразователем 2. ЭДС обмоток поступает на детекторы 5 и 8, с выходов которых выпрямленное и усиленное напряжение поступает на АЦП 6 и 9 откуда подается на адресные входы ПЗУ 11 блока 10 обработки сигналов АЦП 6 и 9. На выходе

ПЗУ формируется число, определяющее положение объекта контроля на какомлибо из периодов функции обмоток токовихревого преобразователя 2. При переходе объектом контроля границы периода изменяется старший разряд ПЗУ 11, что влечет за собой изменение на единицу числа, находящегося в счетчике и являющегося номером периода, на котором в данный момент находится объект контроля. 2 з. и. ф-лы, 5 ил.! 483246

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения осевого положения ротора, раъности тепловых расширений ротора и статора, абсолютных удлинений корпуса турбин электростанций, определения пространственного положения управляющих элементов, в системах очувствления роботов во всех отраслях машиностроения

Цель изобретения — повышение точности, которая достигается за счет цифровой обработки сигналов вихретокового преобразователя.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства измерения перемещений; на фиг. 2— устройство обнаружения границы периода; на фиг. 3 — устройство подсчета числа периодов; на фиг. 4 — вихретоковый преобразователь; на фиг. 5 — зависимость амплитуд ЭДС измерительных обмоток от положения объекта контроля.

Устройство содержит генератор 1 высокой частоты, вихретоковый преобразователь 2, возбуждающая обмотка 3 которого подключена к генератору 1 высокой частоты, первая измерительная обмотка 4 подключена к последовательно включенным детектору

5 и первому аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 6, а вторая измерительная обмотка 7 — к последовательно включенным детектору 8 и второму аналогоцифровому преобразователю (АЦП) 9, блок

10 обработки сигналов аналого-цифровых преобразователей 6 и 9, который выполнен в виде последовательно включенных постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 11 и блока 12 обнаружения границы периода, а также блока 13 подсчета числа периодов, первый вход которого подключен к выходу старшего разряда постоянного запоминающего устройства 11, а второй вход соединен с выходом блока 12 обнаружения границы периода, причем выходы ПЗУ 11 и блока 13 подсчета числа периодов составляют выход блока 10 обработки сигналов, который подключен к индикатору 14, а входы постоянного запоминающего устройства 11 являются входами блока 10 обработки сигналов и подключены к выходам аналого-цифровых преобразователей 6 и 9.

Блок 12 обнаружения границы периода содержит компараторы 15 и 16, первые входы которых соединены между собой и являются входом блока 12 обнаружения границы периода, источники кодов 17 и 18, представляющие собой набор переключателей и подключенные к вторым входам соответствующих компараторов 15 и 16, а также логического элемента 2ИЛИ 19, входы которого подключены к выходам компараторов 15 и 16, а выход является выходом блока 12 обнаружения границы периода.

Блок 13 подсчета числа периодов содержит два RC-фильтра 20 и 21 верхних частот, RC-фильтр 22 нижних частот, инвертор 23, вход которого соединен с входами RC-фильтров 20 и 22 и является первым входом блока подсчета числа периодов, а выход подключен к входу RC-фильтра 21 верхних частот, логический элемент 2ИЛИ 24, входы которого подклю-. чены к выходам RC-фильтров 20 и 21 верх-. них частот, кнопку «Сброс» 25, а также счетчик 26, первый вход которого является вторым входом блока 13 подсчета числа периодов, второй и третий входы подключены соответственно к выходам логического

15 элемента 2ИЛИ 24 и RC-фильтра 22 нижних частот, четвертый вход соединен с кнопкой «Сброс» 25, а выход является выходом блока 13 подсчета числа периодов.

Вихретоковый преобразователь 2 содержит основание 27 и охватывающую его прямоугольную возбуждающую обмотку 3, а измерительные обмотки 4 и 7 лежат в пазах торцовой поверхности основания, параллельной плоскости возбуждающей обмотки, причем пазы выполнены в виде периодической треугольной функции с периодом Т и сдвинуты друг относительно друга на четверть периода этой функции.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение колебаний генератора 1 высокой частоты поступает на возбуждаюЗО щую обмотку 3 вихретокового преобразователя 2. В измерительных обмотках 4 и 7 возникает ЭДС, амплитуда которой зависит как от напряжения и частоты колебаний генератора 1 высокой частоты, так и от электрофизических свойств, геометрических

35 размеров объекта контроля, зазора между объектом контроля и преобразователем и периодически изменяется при перемещении объекта контроля, ширина которого меньше длины преобразователя, параллельно торцовой поверхности преобразователя с периодом, равным периоду треугольной функции обмоток. Амплитуда ЭДС измерительных обмоток такой конфигурации может быть приближенно представлена

U4=A- ип Х, 45 Uj A- sin (Х+Т/4)=А cos Х, где Х вЂ” координата объекта контроля;

А — коэффициент, зависящий от электрофизических свойств материала, размеров объекта контроля и зазора между объек50 том и преобразователем, а также от частоты и напряжения колебаний генератора;

Т вЂ” период треугольной функции измерительных обмоток;

U4, V j амплитуды ЭДС измерительных

55 обмоток 4 и 7.

ЭДС обмоток поступает на детекторы 5 и 8 с выходов которых выпрямленное и усиленное напряжение поступает на АЦП 6 и 9.

1483246

С выходов АЦП цифровой код поступает на адресные входы ПЗУ !1 блока 10 обработки сигналов АЦП. В ПЗУ 11 занесена таблица в соответствии с формулой

S=K (л.Я +лЯ +агс1д Н /Н ), где S — двоичное число на выходе

ПЗУ 11;

Нь Н вЂ” двоичные числа на выходе АЦП соответственно 6 и 9;

К вЂ” коэффициент преобразования.

1, если Hi/Н <0

О, если Hi/Нр)0

1, если Hi<0

О, если Hi)0

Таким образом, на выходе ПЗУ 11 формируется число, определяющее положение объекта контроля на каком-либо из периодов функции обмоток, при этом для крайнего левого положения объекта на периоде имеем число S=00...0, а для крайнего правого S = 11...1 Старший разряд числа S совпадает с величиной Я и изменяет свое значение при переходе Н через ноль.

Так как

10 агс!д (Н /Н )=агс1д

А- жкХ

Д- cost

=arctg (tg Х) =Х, то величина S зависит только. от перемещения Х и не зависит от факторов, влияющих на величину коэффициента А.

С выхода ПЗУ 1! двоичное число поступает на вход блока 12 обнаружения 30 границы периода.

Источники кода 17 и 18 задают двоичные коды Pi и Р соответственно, причем код Р равен числу S на выходе ПЗУ 11 при расположении объекта контроля на четверть периода слева от границы перно- 35 да, а Р числу S на выходе ПЗУ 11 при расположении объекта контроля на четверть периода справа от границы периода. Компараторы 15 и 16 сравнивают поступающее с выхода ПЗУ 11 число с установленными числами Р и Р> и на выходе компаратора 15 появляется логическая «I», если S)Pi, а на выходе компаратора 16, если S

. B результате на выходе блока 12 обнаружения границы периода rio a eTc ypoBe b «1» есл

S)P J1H S

.

При поступлении сигнала с выхода блока 12 обнаружения границы периода на первый вход счетчика 26 последний переходит из режима хранения содержащегося в нем числа в режим счета. При 50 изменении старшего разряда на выходе

ПЗУ 11, что происходит при переходе Н (а следовательно, и U

Изменение логического состояния на выходе RC-фильтра 22 будет задержано относительно изменения состояния на входе его на время т, определяемое параметрами RC-фильтра 22, которые должны быть подобраны так, чтобы время задержки т было больше времени формирования счетного импульса и срабатывания счетчика 26.

Таким образом, логическое состояние на выходе RC-фильтра 22, а следовательно, и направление счета будут определяться состоянием на входе RC-фильтра 22 в момент, непосредственно предшествующий моменту смены сигнала на его входе.

При приближении объекта контроля к границе периода ближе, чем на четверть периода, блок 12 обнаружения границы периода формирует сигнал, переводящий блок

13 подсчета числа периодов в режим счета.

При переходе объектом контроля границы периода изменяется старший разряд на выходе ПЗУ 11 «1» изменяется на «О» при переходе границы слева направо и

«О» изменяется на «1» при переходе границы справа налево, что повлечет за собой изменение на единицу числа, находящегося в счетчике 26, причем направление счета будет определяться предшествующим состоянием старшего разряда на выходе ПЗУ 11. Таким образом, в счетчике 26 будет находиться число, являющееся номером периода, на котором в данный момент времени находится объект контроля. При включении устройства объект контроля располагается на нулевом периоде обмоток и нажимается кнопка «Сброс» 25. При этом, сбрасывается счетчик 26 и на выходе блока 13 подсчета числа периодов устанавливается ноль во всех разрядах.

Выходы ПЗУ 1 и блока 13 подсчета числа периодов совместно составляют выход блока 0 обработки сигналов, причем выходы ПЗУ 11 являются младшими разрядами, а выходы блока 13 подсчета числа периодов — старшими. В результате на индикатор 14 поступает двоичное число, характеризующее положение объекта контроля на всем диапазоне измерения, разрядность которого равна сумме разрядностей выходов ПЗУ 11 и блока !3 подсчета числа периодов.

Поскольку обработка сигналов производится в цифровом виде, в предлагаемом устройстве отсутствуют погрешности, присущие аналоговым вычислительным устройствам.

Абсолютная погрешность предлагаемого устройства на любом диапазоне измерения

1483246

Формула изобретения фиг. 2 равна абсолютной погрешности на одном периоде обмоток и определяется главным образом качеством изготовления преобразователя, причем абсолютная погрешность будет тем меньше, чем меньше период треугольной функции обмоток.

Таким образом, наличие в предлагаемом устройстве вихретокового преобразователя 2 с двумя измерительными обмотками 4 и 7 специальной конфигурации, двух аналогоцифровых преобразователей 6 и 9, ПЗУ 11, блока 12 обнаружения границы периода и блока 13 подсчета числа периодов позволяет повысить точность измерения при фиксированном диапазоне перемещения и существенно увеличить диапазон измерения без увеличения абсолютной погрешности измерения перемещений.

1. Электромагнитное устройство для измерения перемешений, содержащее генератор высокой частоты, вихретоковый преобразователь, подключенный к генератору высокой частоты, два детектора, один из которых подключен к измерительной обмотке вихретокового преобразователя, и индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены два аналого-цифровых преобразователя, блок обработки сигналов аналогоцифровых преобразователей, вихретоковый преобразователь снабжен второй измерительной обмоткой, подключенной к входу второго детектора, входы аналого-цифровых преобразователей соединены с выходами соответствующих детекторов, блок обработки сигналов аналого-цифровых преобразователей включен между их выходами и индикатором.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок обработки сигналов аналогоцифровых преобразователей выполнен в виде последовательно соединенных постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и блока обнаружения границ периода, блока под15 счета числа периодов, первый вход которого подключен к выходу старшего разряда ПЗУ, второй вход соединен с выходом блока обнаружения границ периода, выходы ПЗУ и блока подсчета числа периодов составляют выход блока обработки сигналов аналогоцифровых преобразователей, входами которого являются входы ПЗУ.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что вихретоковый преобразователь выполнен в виде основания с па15 зами на торцовой поверхности основания, параллельного плоскости возбуждающей обмотки, охватывающей основание, пазы выполнены в виде периодической функции и сдвинуты один относительно другого на четверть периода этой функции, а измеритель30 ные обмотки лежат в пазах.

1483246

27

Фиг. 4

1483246

Граница периода

Фиг. 5

Составитель К. Тавлинов

Редактор И. Сегляник Техред И. Верес Корректор Э. Лончакова

За к аз 281 4/36 Тираж 683 Подп исное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1! 3035, Москва, Ж вЂ” 35, Рау шская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, 101