Способ преобразования перемещений и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений линейных перемещений. С целью повышения точности за счет уменьшения температурной погрешности способ предусматривает формирование в моменты равенства нулю тока обмоток из переменного напряжения дифференциального индуктивного датчика двух напряжений, одно из которых равно напряжению первой обмотки дифференциального индуктивного датчика, а другое - полусумме напряжений первой и второй обмоток. В эти же моменты формируют напряжение, пропорциональное скорости изменения тока в обмотках датчика. Преобразуя полученные напряжения с учетом температурного дрейфа индуктивности датчика, формируют напряжение, пропорциональное перемещению и независящее от изменений температуры. В устройство, реализующее способ и содержащее обмотки 1, 2, якорь 3, источник 4 питания, резистор 5, компаратор 7, одновибратор 8, блоки 9, 10 выборки и хранения, делитель 11, шину 18 нулевого потенциала, введены дифференциатор 6, делитель 12 напряжения, делитель 13, блок 14 выборки и хранения, вычитатель 15, делитель 16, блок 17 коррекции. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1518661 A 1 (50 4 С 01 В 7/00, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фиг. 2

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPbTHRM

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4396924/24-28 (22) 23 ° 03.88 (46) 30.10.89. Бюп. Р 40 (72) А.И.Никонов (53) 621.317.39:531.717(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1146540, кл. G 01 В 7/00, 1984 °

Авторское свидетельство СССР

1l- 1441175, кл. С 01 В 7/00, 1987. (54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУПЕСТВЛЕИИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений линейных перемещений. С целью повышения точности за счет снижения температурной погрез.— ности способ предусматривает формирование в моменты равенства нулю тока обмоток из переменного напряжения дифференциального индуктивного датчика двух напряжений, одно из которых

2 равно напряжению первой обмотки ди4тференциального индуктивного датчика, а другое — полусумме напряжений первой и второй обмоток. В эти же моменты формируют напряжение, пропорциональное скорости изменения тока в обмотках датчика. Преобразуя полученные напряжения с учетом температурного дрейфа индуктивности датчика,формируют напряжение, пропорциональное перемег;ению и независящее от изменений температуры. В устройство, реализующее способ и содержащее обмотки 1, 2 якорь 3, источник 4 питания, резистор 5, компаратор 7, одновибратор 8, блоки 9, 10 выборки и хранения, делитель 11, шину 18 нулевого потенциала, введены дифференциатор 6, делитель 12 напряжения, делитель 13, блок 14 выборки и хранения, вычнтатель 15, делитель 16, блок 17 коррекции. 2 с.п. ф лы 3 ил

151866 1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений, Цель изобретения — повышение точности за счет снижения температурной

IIo rpeëíoñòè.

На фиг. 1 приведены графики зави" симостей индуктивности рабочих об- lp моток т перемещений; на фиг. 2— блок-схема устройстьз, осуществляющего способ; на фиг. 3 — временные диаграммы работы устройства.

Устройство, осуществляющее способ, 15 содержит рабочие оомотки 1 и 2, а также ферромагнитный якорь 3 дифференциального индуктивного датчика, Источник 4 питания вкхпочен в электрический контур, образованный последо- 2р вательным соединением рабочих обмоток 1 и 2, а также резистора 5. Выводы резистора 5, один из которых соединен с входом дифференциатора 6, а другой — с одним из выводов рабочей 25 обмотки 1, подключены, соответственно, к первому и второму входам компаратора 7, связан ого через одновибратор 8 с управляющими входами блоков

9 и 10 выборки и хранения, 30

Сигнальный вход блока 9 соединен с общей точкой рабочих обмоток 1 и

2, а его выход — с входом делимого делителя 11. Сигнальный вход блока

10 подключен к выводу- последовательJ но соединенных рабочих обмоток l и 2, а его выход через делитель 12 напряжения — к входу делимого делителя 13.

Выхоц блока 6 подключен к сигнальному входу блока 14 выборки и хранеHIL 4О

Bblfiop, делителя 11 соединен с первым, а выход делителя 13 — с вторым входами вычитателя 15, выход которого подключен к входу делимого делителл 16.

Быход делителя !3 через блок 17 коррекции связан с входом делителя 16, напряжение на выходе которого представляет собой выходной сигнал устройства. Юнна 18 нулевого потенциала подключена к второму входу компаратора 7 и одному из выводов источника

4 питания.

Способ заключается в следующем.

Рабочие обмотки 1 и 2 дифференииэз ального индуктивного датчика, функционируюшего в условиях колебаний температуры, а также резистор 5 запитываю: общим переменньм напряжением

U„=V siwt, где V — амплитуда питающего напряжения;

ы — его круговая частота; время.

Выражения дифференциальных изменений индуктивностей,соответственно, рабочих обмоток 1 и 2 в зависимости от перемещений якоря 3 датчика вдоль оси Х имеет пид.линейных функций

Ь1-1 6+1 х ЬБ+1(ХО+чЕ) s (1) (2) Ь, Ьб 1„=L 1(X.+vt) ° (-х,) х <х,, где L — балансная индуктивность рабочей обмотки при нейтральном — балансном положении якоря 3, когда его координата Х имеет нулевое зчачение;

1 — коэффициент пропорциональности индуктивности рабочей обмотки и координаты якоря 3, определяемый параметрами датчика и эксплуатационными условиями;

Х,...- начальное положение якоря, из котового начинается его движение;

v — скорость движения якоря; (+Х,) — границы диапазона преобразования с линейной аппроксимацией зависимостей индуктивностей рабочих обмоток

l и 2 от геремещений якоря 3.

Запись формул (1) и (2) с введением одинаковой размерности величины коэффициента пропорциональности, стоящего перед аргументсм Х, и величины балансной индуктивности имеет вид ь, =1х,(х/х,)+ь,= л„„+ь.„ (lа)

Ь -1Х,(Х/Х,)+L<= -Л +Ь, (2а) (3) (4

I, +L -21.

i=I sin(ut-q), ct =arctg где il =1Х вЂ” модифицированный коэффициент пропорциональности, имеющий размерность индуктивности;

)„=(Х/Х,) — относительное перемещение якоря; — 1 «а „ 1

В диапазоне преобразования суммарная индуктивность и величина тока рабочих обмоток 1 и 2 не зависят от координаты Х

5 15186

I„V C(2wL<) + (2r+R) 1 (5) где R const — активное сопротивление резистора 5;

r — - активное сопротивление каждой рабочей обмотки

l и2;

Ц2ыЕ / (2r+R) - добротность контура, нагружающего источник

4 питания.

В рабочих обмотках 1 и 2 выделяют напряжения, соответственно, V, (t), U%(t)» которые, согласно закону электромагнитной индукции и с учетом падения напряжения на активном сопротив15 ленни обмоток 1 и 2 равны

t„=w (q+2fi(k-1)), (6) (7) (8)- (14) 30 (8) U„, =U, (t „) =U,, (t,) =ы?„,(л „+L ), (15)

Uq, =0,5U (t „) =О» 5 tU „1 (t к)+ х 7 (t„))

U> < (t к) K»wI R. (17)

Затем выделяют напряжения U«, пропорциональные по уровню отношениям соответственно дискретизированного напряжения первой рабочей обмотки и половины дискретизнрованного общего напряжения рабочих обмоток на дискретизированное напряжение

U (для их количе" òâåííîãî описания используют выражения (15)-(l7) 1 =d./d 1

Kd=K1/(K,F.)=

=const известная постзд», d (t )= — - +r, — (L i)+ri

dt 1» а, а (t) — — +r - — (I 1)+г

2 dt i dt т » где,, — потоКосцепления, соответственно, рабочих обмоток

l и 2. 25

Преобразуя выражения (6) и (7) с учетом (1), (2), (l а), (2а), (4) и раскрывая производные произведений (1,i), (L i), получают

1(t)=U „l,11ч», U (t)=U„ +U„q» где U U „,— координатные составляющие сигналов U„,,U пропорциональные величи-35 не перемещений якоря 3

° l

11х1 1 1 1="1 (" 1х+1 )з1п(ы t+0, 5!! — Ч), (9)

1 х = < 1 = 1 (3<,+L<) sin(at+0»5й-ч )» 40 (10) скоростные составляющие сигналов Б,» У„ пропор- 45 циональные величине скорости якоря

U, =i (L +r) =I (1„+r) $1п (ы t-g), (1 l )

Uyg i(L +r)=1(-I„+r)sin(<>t-о), (12) 50

L,=(ж,/dt), 1.,=(и.,/dt).

На резисторе 5 выделяют сигнал

Н,=Ы=Т,Кз п(е- ), (13)

55 который затем дифференцируют, получая напряжение

U =K,U„=K,û1 „R. sin(mt+0,5)i-g), (14) 6l 6 где К вЂ” масштабный коэффициент опера1 ции дифференцирования, U„-(dU,/dt) R(di/dt) .

Выделенные сигналы — напряжение рабочей обмотки U общее напряжение рабочих обмоток а также напряжение U — дискретизи3 руют в моменты времени где k — целые числа, устанавливанхщие условную нумерацию периодов питающего напряжения U

Как следует из выражения для U,»

U,,эти составляющие сигналов U, U

» в моменты t „ равны нулю, поскольку

sin(ыt — Ч ) =sin 2$ k=0.

Таким образом, в моменты t „ формируются дискретизированные величины

U d,напряжения первой рабочей обмотки, U d половины общего напряжения рабочих обмоток и 1! напряжения U, с их аналитические вырк..<ения находятся на основании использования формул

U =к,U«/U, =(к,/(к,R)1(л.„1,,)=

=к, (л,Ä+L,) . (18) 111 =к тз /ц =к т.;/(к,р.)=к,,т.,» (19) где К =сопя — масштабный коэффициент операции i

Сокращение в приве; енных отц meниях (18) и (19) величины I „. ес.;ечивает независимость результате Л. .льнейшего преобразования величин

»

U< от температурных измецеццй ;:ктцв1518661 ного сопротивления т рабочих обмоток 1 и 2, поскольку согласно выражению (5) эти изменения влияют именно на величину амплитуды Т

При нормальной температуре датчика величины модифицированного коэффициента пропорциональности Л, балансной индуктивности L, а также индуктивностей Ь„, L рабочих обмоток 1 и 2 имеют номинальные значения, соответственно, Л„, Ь„= Л„ „+Ь „, Ь „=Л„ „+1

Отклонения 6 температуры среды ус тановки датчика от своего нормального значения, обычна принимаемого равным 20 С, обуславливают изменения данных величии (фиг. 1, где через Ь обозначена совокупность индуктивностей L„,,L ) л-- =л(ОфО)ФЛц, ь,е=ь (бфО) 1 бн

L.Ä=L,,(„, е ФО)ФЬ,„(,), Ь а L (×.õý 0 70)7 L@ (lg) Таким образом, величины индуктивностей рабочих обмоток l и 2 представляются в виде совокупностей (фиг.l) 30 1Н (1„,)

1, (q<) если

f Lg„(q„), если Ь (1„), если

Е =О, 8 =О, B =0, 6 =О.

Зависимость модифицированного коэффициента пропорциональности Л от уровня балансной индуктивности L< которая сама представляет собой функцию отклонения 6 температуры датчика от своего нормального значения, но- 40 сит систематический характер. Эта зависимость известна по результатам опытных данных, получаемых при температурных испытаниях дифференциальных индуктивных датчиков, либо по 45 результатам расчетных данных, получаемых в процессе проектирования датчиков, и может быть аппроксимирована полиномом, и =к л, где К =const — масштабный коэффици3 ент функционального преобразования, 50

После выделения напряжения U < его уровень функционально преобразуют в соответствии с h, формируя напряжение

Одновременно с получением напряжения Ug выделяют разность напряжений

Ud,, U <, что согласна выражениям (18), (19) дает

П U g „-11 К,! Jiq„, Затем формируют выходной электрический сигнал UB, уровень которого определяется отйошением разностного напряжения к напряжению, сформированному с учетом и, к„л„, к к х

U =К

6 2 Us K л К Х

9 r где K=K К,!/ (К Х, ) =cons t — коэффициент преобраэования перемещений.

Таким образом, сформированное выходное напряжение является пропорциональным координате якоря 3, отсчитываемой вдоль оси контролируемьп перемещений.

Устройство работает следующим образом.

Дифференциальный индуктивный датчик с обмотками 1 и 2 установлен возле контролируемого подвижного объекта (на фиг. не показан), с которым жестко скреплен якорь 3, и функционирует в условиях колебаний температуры окружающей его среды. Остальные узлы устройства находятся в стабильном тепловом режиме.

При перемещениях якорч вдоль оси

Х индуктивности рабочих обмоток 1 и 2 изменяются дифференциально, причем в пределах диапазона преобразования их зависимости от координат якоря 3, отсчитываемых ио оси Х, имеют линейный характер.

Источник 4 вырабатывает переменное напряжение, распределяющееся между последовательно соединенными рабочими обмотками 1 и 2 и резистором 5, В момент времени t „ (k=1)=t,= ы Ч напряжение резистора 5, отсчитываемое относительно шины 18 устройства !

Ф U --U = -Б =iR, Я Ьп а достигает нулевого уровня и затем в течение половины периода Т (2 !! v) питающего напряжения U „ находится в области отрицательных значений (фиг. 3, где через В обозначена совокупность электрическйх величин, относящихся к контуру подключения источника 4: напряжений U„, U < и тока i).

9 l5

Выходное состояние компаратора 7 определяется соотношением уровней сигналов, подаваемых на его входы.

Если величина сигнала, поступающего на первый вход, превышает нулевое значение, соответствующее подключению его второго входа к общей шине устройства, то на выходе компаратора

7 устанавливается напряжение высокого (единичного) уровня. Если величина сигнала, поступающего на первый вход компаратора 7, переходит в область отрицательных значений, то уровень выходного напряжения компаратора 7 меняется с высокого на низкий (»улевой). Поэтому, начиная с момента t и в течение полупериода

0,5Т с выхода компаратора 7 снимается напряжение низкого уровня.

Дифференциатор 6 реализует дифференцирование напряжения U с одноR временным изменением его знака

18661

Kz Uzt U fq Ugf Кд (я, +1. ) t

Uq9 =K Ut2 t Ut, =Up K L °

Напряжение на выходе вычитателя 15 равно

U15 U " 1З "а Кд Ч. °

Блок 17 коррекции реализует известную по спытно-испытательным или проектно-расчетным данным зависимость модифицированного коэффициента пропорциональности t от напряжения

U, =К„, значения которого фиксируются (определяются) при колебаниях температуры среды установки дифференциального индуктивного датчика.

Выходное напряжение 11 схемы 16, являющееся также и выход»ым сигналом

2Р устройства в целом, определяется отношением выходного напряжения вычитателя 15 к выходному напряжению блока

17 коррекции л 1

6 К УР К1Utt=U9, 25 где 0 (dU

Одновибратор 8 запускается по отрицательному перепаду входного сигнала и в момент t начинает формиро1 вание короткого по сравнению с дли- 30 тельностью Т импульса U» по выдаче которого блоками 9, 10 и 14 производится дискретизация, соответственно, напряжения U 1,=U „(t) рабочей обмотки

1, общего напряжения рабочих обмоток и 2

U9 U „=caI „(P „+L6 ), 11 10 .=0 () =21" .,1 э

UÄ =UÄ>=K,Т„К, причем на выходе делителя 12 напряжения формируется половина общего напряжения рабочих обмоток 1 и 2

Б t<=Ud =0» 5 Г (1) =1111„Е .

Делители 11 и 13 реализуют аналоговые операции деления выходных напряжений, соответственно, блока и де- 55 лителя 12 на выходное напряжение блока 14. Выходные напряжения U„ делителя 11 и U 13 представляют

1 собой величинь1

Ц,„=11 =1, +1-1,. =11, ()+1-1, (t) а также выходного напряжения U дифференциатора 6. Выходные напряжения 4р блоков 9, 10 и 14 выборки и хранения, соответственно, равны

Ug Ug

U К --- =K -- =K

9 211 г 11 л и пропорционально вел1,чи»е X ко»тролируемой коорпи»аты якоря 3., формула из ебретения

1. Способ преобразова»ия перемещений, заключающийся в том, что пропускают переме»ный ток через обмотки дифференциального индуктивного датчика и формируют постоянное напряжение

Ud, равное напряжению на первой об 1 1 мотке в момент равенства нулю переме»ного тока через нее, о т л и ч аю ш и и с я тем, что, с целью повышения точности за счет снижения температурной погрешности, в момент равенства нулю перемеи»ого тока через обмотки датчика формируют »а»ряже»ие

Ц, равное сумме напряжений »а обмотках датчика и напряже»и» Г,i, пропорциональное скорости измеые»и переменного тока через об..отки датчика, а о перемещении Х судят »о з»аие»ию выражения

U a

21. 1 а

Х=

0d2 — — ()

211,1 где Д (g) — температур»1 з а»1 еtt 1,г1 коз фф1»ЦИ Е H T tIP Р Г О Р I t t"" t t 1:11 tC C ти, опредс л>1ем1 Я и 1 - льтатам опыт»1.:: ие 1 т: .;1;

1518661

12 дифференциального индуктивного датчика.

2. Устройство для преобразования перемещений, содержащее дифференци альный индуктивный датчик с двумя обмотками, источник питания, резистор, компаратор, одновибратор, два блока выборки и хранения, первый делитель и шину нулевого потенциала, подключенную к первому входу компаратора, выход которого через одновибратор подключен к управляющему входу первого блока выборки и хранения, вьг- 15 ход которого подключен к входу делителя, конец первой обмотки дифференциального индуктивного датчика подключен к началу второй обмотки дифференциального индуктивного датчика и 20 к сигнальному входу первого блока выборки и хранения, шина нулевого потенциала через резистор подключена к первому выводу источника питания, отличающееся тем, что, с целью повышения точности за счет снижения температурной погрешности, в него введены дифференциатор, третий блок выборки и хранения, делитель напряжения, второй и третий делители, ЗО вычитатель и блок коррекции, выход которого подключен к первому входу второго делителя, шина нулевого потенциала подключена к началу первой обмотки дифференциального индуктивного датчика, второй вывод источника питания подключен к сигнальному входу второго блока выборки и хранения и концу второй обмотки дифференциального индуктивного датчика, выход одновибратора подключен к управляющим. входам второго и третьего блоков выборки и хранения, выходы которых подключены соответственно к входу делителя напряжения и первому входу третьего делителя, к второму входу которого подключен выход делителя напряжения, выход третьего блока выборки и хранения подключен к второму входу первого делителя, выход которого подключен

k первому входу вычитателя, к второму входу которого подключен выход третьего делителя, выход вычитателя подключен к второму входу второго делителя, выход которого является выходом устройства, выход третьего делителя подключен к входу блока коррекции, первый вывод источника питания через дифференциатор подключен к сигнальному входу третьего блока выборки и хранения.

1518661

Составитель В.Подолян

Редактор И.Касарда Техред Л.Сердюкова Корректор Н,Король

Заказ 6596/45 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 1ii1