Преобразователь перемещений в код

 

Изобретение относится к аналого-цифровым элементам автоматики. Целью изобретения является повышение точности преобразователя и достоверности определения границ диапазона преобразования. Для этого в преобразователь перемещений в код, содержащий трансформаторный датчик, четыре детектора амплитуд, два компаратора, источник переменного напряжения, источник опорного напряжения, коммутатор, первый функциональный преобразователь и аналого-цифровой преобразователь, введен второй функциональный преобразователь. При нахождении подвижного элемента в пределах преобразования перемещений на выходах компараторов устанавливаются напряжения низкого уровня и к входу аналого-цифрового преобразователя подключается выход второго функционального преобразователя, который совместно с первым функциональным преобразователем воспроизводит зависимость координаты подвижного элемента от величин продетектированных сигналов, получаемых на выходах трансформаторного датчика. Значения входного кода аналого-цифрового преобразователя пропорциональны контролируемой координате и не зависят от нерабочих поперечных смещений подвижного элемента. Когда подвижный элемент выводится из диапазона преобразования, на одном из выходов компараторов устанавливается напряжение высокого уровня, к входу аналого-цифрового преобразователя подключается источник опорного напряжения и на информационных выходах формируется код переполнения, а на соответствующем контрольном выходе устанавливается сигнал высокого уровня. 6 ил.

СО103 СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИ ЕСКИХ

РЕСГ1УБЛИН

594ОВ Л1

5 ) H 03 N 1(30

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕ . ЕНЙЯ

Н А BTOPCHGMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР, (21) 4450602/24-24 (22) 28.06.88 (46) 23.04.90 Бюл. Р 15 (72) А.И. Никонов (53) 681.325(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1", 1295518, кл. Н 03 N 1/50, 1985.

Авторское свидетельство СССР

Р 1439736, кл. Н 03 М l/30, 1987. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕПЬ ПЕРЕ?КЕЩЕНИИ В

КОД (57) Изобретение относится к аналогоцифровым элементам автоматики. Целью изобретения является повышение точности преобразователя и достоверности определения границ диапазона преобразования. Для этого в преобразователь перемещений в код, содержащий трансформаторный датчик, четыре детектора амплитуд, два компаратора, источник переменного напряжения, источник опорного напряжения, коммутатор, первый функциональный преобразователь и аналого-цифровой преобразователь, введен второй функциональный преобразователь.

При нахождении подвижного элемента в

Изобретение относится к аналогоцифровым элементам системы автоматики.

Целью изобретения является повышение точности преобразователя и достоверности определения границ диапазона преобразования.

На фиг. 1 показаны элементы датчика и функциональная схема преобразователя перемещений в код; на фиг. 2 и

2 пределах преобразования перемещений на выходах компараторов устанавливаются напряжения низкого уровня и к входу аналого-цифрового преобразователя подключается выход второго функционального преобразователя, который совмecтнo с первым функциональным преобразователем воспроизводит зависимость координаты подвижнсго элемента от величин продетектированных сигналов, получаемь х на выходах трансформаторного датчика. Значения входного кода аналого-цифрового преобразователя прогорциональны контролируемой координате и не зависят от нерабочих поперечных смещений подвижного элемента. Ког- да подвюкный элемент выводится из диа- @ пазона преобразования, на одном из выходов компараторов устанавливается напряжение высокого уровня, к входу ана- ( лого-цифрового преобразователя подклю" чается источник опорного напряжения и на информационных выходах формируется код переполнения, а на соответствующем контрольном выходе устанавливается сигнал высокого уровня. б ил.

3 — графики зависимостей выходных напряжений блока детектирования от перемещений соответственно при отсутствии и наличии люфта контролируемого объек" à; на фиг. 4 — зависимости, построенные в относительных единицах, выходных напряжений двух детекторов, используемых для формирования информации о текущих значениях контролиру-. емой координаты; на фиг. 5 — графики

1559406 функций, обратных показанным на фиг.

4; на фиг ° 6 — функциональные схемы гервого и второго функциональных преобразователей. ° 5

Преобразователь содержит трансформаторный датчик 1, источник 2 переменного напряжения, блок 3 детектирования, функциональные преобразователи 4 и 5, блок 6 компараторов, ком- 10 мутатор 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, источник 9 опорного напряжения. Трансформаторный датчик 1 выполнен в виде подвижного ферромагнитного элемента 10, Ш-образ- 15 ного магнитопровода 11 с зубцами (не показаны) на крайних стержнях, обмоток 12 возбуждения и обмоток 13-16 считывания.

Блок 3 детектирования содержит детекторы 17-20 амплитуды. Блок 6 компараторов выполнен в виде компараторов 21 и 22. Выходная шина 23 компаратора 21 и выходная шина 24 компаратора 22 являются соответственно первым и вторым контрольными выходами преобразователя. Коммутатор 7 выполнен в виде переключателя 25 и элемен.та ИЛИ 26. Выходы 27 АЦП 8 являются информационными выходами преобразователя.

Функциональный преобразователь 4 содержит блоки 28-33 вычислений, сумматоры 34-36, функциональный преобразователь 5 — аналоговый блок 37 умножения, сумматоры 38 и 39 и аналого- 35 вый блок 40 деления.

Преобразователь работает следующим образом.

Количество витков первой и второй секций обмотки 12 одинаково, так что переменный ток от источника 2 создает в каждой секции равные одна другой намагничивающие силы.

Обозначим координату центра (сере45 дины) подвижного элемента 10, отсчитываемую вдоль .оси х контролируемых перемещений, через х, шаг нанесения зубцов магнитопровода 11 через ), нерабочие поперечные смещения подвижного элемента 10 вдоль оси у (люфт) через о уровни переменных напряжез р ций на обмотках 13-16 через U -U<<„ уровни выходных напряжений детекторов 17-20 через Пп-11ф, а их совокупность (Uä,....U,} через U (фнг. 2 з5 и 3).

Ъ.

Рассмотрим получение выходной ин" .формации блока 3, а также контрольный информации о наличии или отсутствии подвижного элемента 10 в диапазоне преобразования для случая, когда поперечные смещения подвижного элемента 10 отсутствуют (3 = О). В этом случае отсчитываемые вдоль оси у зазоры и О „, образуемые соответственно верхней кромкой подвижного элемента 10 (фиг. 1) с торцами зубцов верхней ветви магнитопровода 11, а также нижней кромкой подвижного элемента 10 с торцами зубцов нижней ветви магнитопровода ll, равны один другому по величине и имеют номинальное значение 3, .

Приближение подвижного элемента 10 к любому зубцу магнитопровода 11 характеризуется увеличением степени заполнения ферромагнитным материалом подвижного элемента зоны между торцом данного зубца (независимо от того, принадлежит он верхней или нижней ветви магнитопровода 11) и противолежащим участком средней ветви магнитопровода 11. Величина магнитного потока, проходящего по такому зубцу, возрастает, а при наличии на зубце одной; из обмоток 13-16 соответственно возрастает и величина наводимого в ней электрического сигнала (фиг. 2). Наибольшие перекрытия зубцовых торцов, а следовательно, наибольшие уровни выходных сигналов обмоток 13-16 и про. порциональные им уровни выходных напряжений детекторов 17-20 амплитуды достигаются при значениях Х, равных значениям координат центров зубцов неподвижного магнитопровода 11. С удалением подвижного элемента 10 от какоголибо из зубцов, снабженных обмотками 13-16, магнитный поток, проходящий через данный зубец, ослабляется, соответственно, снижаются уровни наводимого в обмотке даннбго зубца сигнала и выходного напряжения связанного с ней детектора 17-20.

Комбинация указанных участков возрастания, перехода через максимум и убывания зависимостей выходных напряжений детекторов 17-20 от перемещений подвижного элемента 10 для о = 0 поФ казана на фиг. 2. Зубцы верхней и нижней ветвей магнитопровода 11 имеют одинаковые форму и размеры, что с учетом указанного равенства зазоров, образуемых подвижным элементом 10 с зуб" цами верхней и нижней ветвей магнитопровода 11, обусловливает при 3 0

59406 6

5G

5 15 равенство уровней сигналов U = U 6

35 16 и U 9 = Uqq соответственно. Нулевое зна. чение координаты Х (нижняя граница диапазона преобразования) привязано к положению подвюкного элемента 10, для которого уровни выходных сигналов обмоток 13 и 14, а также детекторов 17 и 18 попарно равны один другому U<> = U<<, U„> = U< . Верхняя граница х„ диапазона преобразования привязана к положению подвижного элемента 10, для которого попарно равными являются величины выходных сигналов обмоток 14 и 15, а также детекторов 18 H 19 0 4 U

Коммутационное состояние переключателя 25 определяется следующим образом. Если на его управляющий вход воздействует напряжение нулевого уровня, то к входу AIgI 8, который (для определенности) является устройством параллельного действия, подключается выход функционального преобразователя 5, если же на управляющий вход переключателя 25 воздействует напряжение единичного уровня, то к входу

АЦП 8 подключается выход источника 9.

Когда подвижный элемент 10 выведен влево за пределы диапазона преобразоB GHHH перемещений (x О), То Ц.,) Б1н )

pU<» на выходе компаратора 21 устанавливается напряжение единичного уровня, а на выходе компаратора 22 — напряжение нулевого уроння. Одновременно высокий уровень напряжения с выхода компаратора 21 воздействует через элемент ИЛИ 26 на управляющий вход пере, ключателя 25. Тогда к входу АЦП 8 подключается опорный выход источника 9, напряжение на котором выбирается заведомо большим, чем верхний предел диапазона преобразования входного напряжения АЦП 8, и на выходе АЦП 8 устанавливается код переполнения, содержащий единицы но всех разрядах..

- Когда подвижньй элемент 10 выведен вправо за пределы диапазона преобразования перемещений (X O x„},, то

U 19 + U Ф ъ Пл на Выходе компаратора 21 устанавливается напряжение нулевого уровня, а на выходе компаратора 22 — напряжение единичного уровня. Выходное напряжение единичного уровня компаратора 22 через элемент

ИЛИ 26 воздействует на управляющий

4 и

45 вход переключателя 25, н результате чего опорный выход источника 9 соединяется с входом АЦП 8, на ныходе которого и н этом случае устанавливается код переполнения.

Таким образом, информационной совокупностью кода переполнения A111I 8 и напряжения единичного уровня шинь1 23 предлагаемьггл преобразователь .сигнализирует о выводе подвижного элемента 10 влево за пределы диапазона преобразования перемек. ний, а совокупностью кода переполне ия АЦП 8 и напряжения единичного уровня шины 24 — о выходе подвижного элемента 10 из диапазона преобразования вправо. Наличие н этих случаях на выходе АЦП 8 кода переполнения исключает возможность выдачи устройством ложной, но сходной с дост-.верной информации.

Когда центр подвижного элемента 10 находится в диапазоне преобразования перемещений, то П y U<» U,o r U„» а выходные нанр комцараторов 21 и 22 имеют нулевые уровни, возцействующие через элемент ИЛИ 26 на управляющий вход переключателя 25, что обусловливает подключение к входу

АЦП 8 выхода функционального преобразователя 5. При 3 = О напряжение

Б(,,Х) = У (К) H однозначно cQO Â T òнует координате подвижного элемента 10 (фиг. 2). При нерабочем смещении подвижного элемента 10 1 > О вверх величина сигнала, наводимого н

oo ëo Têå 16, и величина напряжения, снимаемого с выхода детектора 20, возрастают, B. уровни сигналов в обмотках 13-15 и соответствующих им ьыходных напряжений детекторов 17-19 снижаются (фиг. 3).

При нерабочих смещениях поднижного элемента 10 $ (0 сигналы н об J мотках 13-15 возрастают сравнительно с их уровнями, со о тв е тс тнующими отсутствию нерабочих смещений, а сигнал в обмотке 16 ослабляется, Величина выходного напряжения каждого из детекторов блока 3 прямо пропорциональна уровню его выходного сигнала.

Появление нерабочих поперечных смещений, изменяя величину сигналов в обмотках 13-15, не изменяет координат проекций центра подвижного элемента 10 для его положений, при которых уровни сигналов обмоток смежных зубцов ниняей ветви магнитопронода ll

1559406 (4) (5) 10 а2 = аь >" + аг2 l," ) (1) или с учетом размерности преобразуемых физических величин

"9 "Ь где Па, = Ка,; а г.

П Ъа = КЬ2 1 . К вЂ” масштабный коэффициент параметров аппроксимации, имеющий размерность напряжения и выбираемый равным

m 15

К вЂ” масштабный коэффициент операции умножения напряжений, выбираемый равным (1/U ).

Значения коэффициентов аппроксимации, содержащихся в выражениях для

20 а,, а, Ь ., определяются экспериментальным или расчетным путем на этапе соответственно изготовления или проектирования преобразователей. При опытном определении коэффициентов ап- 25 проксимации диапазон преобразования перемещений разбивается на заданное число участков, с помощью образцовых средств механических измерений (на-! пример, микрометрического винта с индикатором) фиксируются значения Х на границах указанных участков диапаэона преобразования и изменяются соответствующие этим значениям Х уровни u, U выходных напряжений блока 3 для ряда значений люфта о изб У меняемых в пределах D . Необходимости измерять сами значения О< нет, так как в определяемой функции „() аргументами являются U 9 /U + y Ц2 /U

40 и знать с достаточной точностью надо значения именно этих аргументов. 3атем экспериментально полученный набор соответствий Х +- (Uq9 Про ) или с помощью метода наименьших

I 45 квадратов преобразуется в форму дробно-рациональной функции (1). Очевидно, что соотношение gq f Ч,(8 =0)

Я2(32 = 0), где g, (8 -,— О)

= ((3 = О) входит в аппроксимирую 2 щую зависимость gg (g) как частный случай.

Первый функциональный преобразователь 4 формирует напряжения, входящие в выражение (2), как функции от аргумента U2

Р„ а а, Ка К(ач gg + a 21 д ) 1О

U 41 U 22 (— ) + u (— ) ° а 21 2 U„

Ub = КЬ, = К(Ь„Р, + Ь„Д, ) h %г

2 где Па„= Ка«

Па ъ = Ка 2;

Па2, =

Uq» Ka<»> иа„= Ка э

ЦЪ|, КЬыУров".и 13ац в U z Па21 Цц.

БЪ,, Б,„, Б "известные по опытным или расчетным данным, задаются (воспроизводятся) на установочных выходах источника 9.

Каждый из блоков 28-33 вычислений реализует непрерывную функцию трех переменных (фиг. 6, индексы r = 2833 соответствуют позициям блоков 2833 вычислений)

Ur1 hhr

V = U (-- -)

П

r,3 где U — выходное напряжение r-го блока вычислений; напряжения, подаваемые соотI

Ur»Ur 3 ветственно на его первый, второй и третий входы;

М вЂ” задаваемые показатели степег ни.

Выходное напряжение детектора 20 и напряжения установочных выходов источника 9 разводятся по входам блоков 28-33 следующим образом:

11 0 U 28< 2- 1129 2. U 33 < 3

П й1 2Q 3 29 3 ° ° ° U 33<3 у

Па = Ц2зt *

Па z = u 29. i

UQã За > а„=

Ub, — П3г,, Ub2г = "33.!

Кроме того, устанавливаются ae, = Р с 1 1 1т = Рс э 1зо= Ре1 ь

1 1 3 P2z э > 32- ЯЯ< э 133 Чаг °

Тогда на выходах сумматоров 34-36 реализуются соотношения (3)-(5) и выделяются выходные напряжения соответственно М = Uo< > 33 = UQ2 > 36 = ПЬд

Эти напряжения подаются на управляющие входы второго функционального преобразователя 5: напряжение U +- на

1559406

20

Вход блока 37, напряжения U -, У на входы слагаемых соответственно сум-. маторов 38 и 39. Блоком 37 выделяется уровень напряжения )Ua Ц() = 1-1, Ка К (. =

= Ka (g ),.

На выходе сумматора 38 формируется напряжение

U3g 37 35 (- ((Ч (.(2.

= к(а, (() (, i а (I )( поступающее на вход делимого блока 40 деления.

На выходе сумматора 39 выделяется напряжение 15

Ц И 1-1(я + Ur6 019 01>2

К(17 + Ъ2(I72)3У воздействующее на вход делителя блока 40 деления, выходной сигнал которого по величине равен

Пъ8 К а ({ 2) +«а2(2)

"О= Кy U,, = К) q, + Ь,(q,) где К вЂ” масштабный коэффициент опе() рации деления напряжений, имеющий размерность напряжения.

Выбирая для определенности K =

= К = О,)„ видно, что полученная на выходе второго функциональногО преобразователя 5 величина представляет 30 с собой реализацию зависимости (2}

Ц) — )((9(Ч2) — К вЂ”

К х, где Б =- сопя . - коэффициент пропорциональности {чувствительность по контролируемому переглещению), не зависящий от поперечных смещений 3 .

При 06 Х х< переключатель,Д5,(0 обеспечивает электрическое соединение выхода второго функционального преобразователя 5 с входом АЦП 8, который выдает по выходу 27 двоичный код, значения которого пропорциональ. — 4g ны уровню преобразуемого АЦП 8 сигнала U< = д„, т.е. при нахождении ценно центра подвижного элемента 10 в пределах диапазона преобразования выходной код устройства пропорционален 0 координате Х и его значения не зависят от величины поперечных смещений 3, поскольку от указанной зависимости избавлена величина Цл„

= U (g), = SX, преобразуемая в выходной двоичный код АЦП 8. Г:

Формула изобретения

Преобразователь перемещений в код,, содержащий трансформаторный датчик, Выполненный в виде Ш-образного магнитопровода, с тремя зубцами на каждом из крайних стержней, обмотку возбуждения, выполненную в виде двух секций, расположенных на основании Ш-об1 разного магнитопровода по обе стороны от центрального стержня, и подключенную к источнику переменного напряжения, подвижный ферромагнитный элемент, расположенный на центральном стержне, первую обмотку считывания, расположенную на среднем зубце верхнего стержня Ш-образного магнитопровода и соединенную с входом первого детектора амплитуды, вторую, третью и четвертую обмотки считывания, расположенные на трех зубцах нижнего стержня Ш-образного магнитопровода и соединенные соответственно с входами второго, третьего и четвертого детекТОРОВ амплитудь(выхОды ВторОго и четвертого детекторов амплитуды соединены с неинвертирующими входами. соответственно первого и второго компараторов, источник опорного напряжения, первый функциональный преобразователь, аналого-цифровой преобразователь и коммутаторл о т л и— ч а ю щ и Й с я тем,что, с целью повышения точности преобразователя и достоверности определения границ диапазона преобразования, в него вве" ден второй функциональный преобразователь, вьгход первого детектора амплитуды соединен с первым входом первого функционального преобразователя, выход второго детектора амплитуды соединен с первым входом второго функционального преобразователя, выход третьего детектора амплитуды соединен с инвертирующими входами первого и второго компараторов, выходы которых являются контрольными выходами греобразователя и соединены с управляющими входами коммутатора, первый выход источника опорного напряжения

Р соединен с первым информационным входом коммутатора, а второй выход соединен с вторым входом первого функционального преобразователя, выход которого соединен с вторым входом второго функционального преобразователя, выход которого соединен с вторым информационным входом коммутатора, выход которого соединен с входом анало(ro-цифрового преобразователя, выход которого является информационным BbI» ходом преобразователя.

i559406

Фиг.Р

1559406

Составитель A. Сидоренко

Редактор И. Шулла Техред A,Êðàâ÷óê Корректор Н.Король

Заказ 84! Тираж 663 Подписное

3НИИПИ 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, 101

II tl