Устройство для измерения быстроменяющихся неэлектрических величин

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и предназначено для измерения быстроменяющихся неэлектрических величин. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и экономия энергоресурса источника питания за счет использования энергии перемещаемого объекта измерения. При перемещении ферромагнитного сердечника с расположенными на нем постоянными магнитами на дополнительной обмотке, являющейся составной частью генераторной части датчика- , индуктируется ЭДС, которая прикладывается к обмотке питания параметрической части датчика. На выходе датчика формируется аналоговый сигнал, пропорциональный скорости перемещения ферромагнитного сердечника. Измерительный преобразователь осуществляет обработку сигналов датчика и формирование на выходах устройства сигналов, пропорциональных перемещению и скорости измеряемого объекта. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 P 3/50

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4667952/10 (22) 27.03.89 (46) 15.09.91. Бюл. hh 34 (71) Пензенский политехнический институт (72) Е.П. Осадчий, В.И, Гончар и А.Н.Николаев (53) 681,2.531.7 (088,8) (56) Гончаров И. Особенности расчета функций преобразователя взаимоиндуктивных преобразователей датчиков соленоидного типа.

Датчики систем измерения контроля и управления. Межвузовский сб. науч. тр.

Пенза, Пензенский политехн. ин-т, 1985, с. 37-42. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БЫСТРОМЕНЯЮЩИХСЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ВЕЛИЧИН (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и предназначено для измерения быстроменяющихся неэлекИзобретение относится к контрольноизмерительной технике, конкретно к измерениям неэлектрических величин параметрическими датчиками.

Целью изобретения является экономия энергоресурса источника питания за счет использования энергии их измеряемого объекта, расширение функциональных возможностейй.

На фиг, 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 — соленоидный датчик устройства.

Устройство для измерения быстроменяюющихся неэлектрических величин содержит соленоидный датчик 1 и измерительный преобразователь 2. Соленоидный датчик 1

„„5U „„1677640 А1 трических величин. Цель изобретения — расширение функциональных возможностей и экономия энергоресурса источника питания за счет использования энергии перемещаемого объекта измерения. При перемещении ферромагнитного сердечника с расположенными на нем постоянными магнитами на дополнительной обмотке, являющейся составной частью генераторной части датчика. индуктируется ЭДС, которая прикладывается к обмотке питания параметрической части датчика. На выходе датчика формируется аналоговый сигнал, пропорциональный скорости перемещения ферромагнитного сердечника. Измерительный преобразователь осуществляет обработку сигналов датчика и формирование на выходах устройства сигналов, пропорциональных перемещению и скорости измеряемого объекта. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. снабжен обмоткой 3 питания, измерительной обмоткой 4, состощей из двух соединенных последовательно встречно полуобмоток, дополнительной индукционной обмоткой 5 и жестко связанным с измеряемым объектом ферромагнитным сердечником 6, на концах которого установлены постоянные магниты 7 и 8, являющиеся источником постоянного магнитного поля, направленного вдоль оси соленоидного датчика 1.

Измерительный блок 2 устройства снабжен выпрямителем 9, вычитающим блоком

10, первым и вторым фазочувствительными выпрямителями 11 и 12, логометрическим . преобразователем 13, блоком 14 реверсив50

55 ного счета и образцовым резистором 15.

Обмотки 3 — 5 соленоидного датчика размещены на полом цилиндрическом диэлектрическом каркасе 16 внутри цилиндрического ферромагнитного экрана 17, а ферромагнитный сердечник 6 на торцах имеет цилиндрические полюсные наконечники 18 и 19, размещен внутри каркаса 16 так, что обеспечена воэможность перемещения ферромагнитного сердечника 6 внутри каркаса 16.

На внешней поверхности каркаса 16 по длине расположены окружные пазы 20, имеющие в профиле форму полупериода синусоиды. В пазах 20 уложена дополнительная обмотка 5, участки которой, размещенные в соседних пазах, соединены между собой последовательно встречно. Обмотка 3 питания соленоидного датчика 1 выполнена с равномерным распределением витков вдоль оси каркаса, а каждая из половин измерительной обмотки 4 имеет от середины каркаса

21 к его краям линейно распределенное число витков во взаимопротивоположных направлениях.

Устройство работает следу|ощим образом.

Постоянные магниты 7 и 8 создают в магнитной цепи устройства постоянный магнитный поток, замкнутый в направлении, показанном на фиг, 2 пунктирной линией. При этом постоянный магнитный поток охватывает часть витков индукционной обмотки 5, часть витков обмотки питания 3 и часть витков измерительной обмотки 4.

При перемещении обьекта происходит изменение разности между числами встречно включенных витков участков индукционной обмотки 5, охваченных постоянным магнитным потоком, в соответствии с завиСИМОСТЬЮ

Лен =бабин.п. з(п (Л

Хп (1)

Хп

I/8 М/ин,fI. — число BNTKOB в Одном Il838 20 индукционной обмотки 5;

Хп — максимальная длина паза 20 вдоль диэлектрического каркаса 16, X (t) — значение измеряемого перемещения.

8 результате в индукционной обмотке 5

ИНДУКтИРУЕтСЯ ЭДС Еин, ЗкаЧЕНИЕ КОтОРОй

onðeäåëÿeòñë зависимостью

lwi— Ф к

% () гю бх >

Хп Хп или при б Хп ((t) >Хпп(Д ) (3)

dt Е еин = — — X Ф= Лин.п. сов (— Vc t ) Чс, (4)

Ж Л

Хп Хп где Ф. значение постоянногО магнитного

AOTOKB;

Vc — значение скорости перемещения ферромагнитного сердечника 2.

Из выражения (4) видно, что индуктируемая в индукционной обмотке 5 ЭДС еин является гармоническим сигналом и ее значение определяется скоростью движения объекта. При этом О скорости перемещения объекта можно судить как по амплитуде

ЭДС, так и по частоте ее изменения. По числу полупериодов ЭДС еин можно судить о значении измеряемого перемещения, так как один полупериод соответствует смещению подвижного элемента на длину одного паза, в которой уложена часть витков индукционной обмотки. Постоянное магнитное поле при движении ферромагнитного сердечника не индуктирует ЭДС в обмотке питания

3, так как не происходит изменения числа витков, охваченных постоянным магнитным полем, ввиду равномерного распределения числа ее витков вдоль оси каркаса 16.

По обмотке 3 питания протекает ток 4, значение которого с учетом выражения (4) определяется следующим образом

О> Ф- ин.п, COS Ш t

Ro + Rn + j M -и где R — значение сопротивления образцового резистора 15, R — значение активного сопротивления обмотки 3 питания;

Ж

e = V< — значение частоты тока питания;

L< — значение индуктивности обмотки 3 питания.

Тогда значение напряжения URO на образцовом резисторе 15 определится выражением

О4 ФWин,п. Ro

Ув + +. соз (ае). (6)

Значение напряжения U, падающего в цепи, состоящей из последовательно соединенных обмотки 3 питания и образцового резистора 15, с учетом выражения (4) может быть представлено в виде

О %Фин.neo +Rn >

Ro+ п +>О> -и

+ Фк ин.п. -п.1 ()

Ro + йп + j О> Ь - касоа (ае).

Первый фазочувствительный выпрямитель 11 выделяет квадратурную относительно напряжения VR, приложенного к его

1677640 управляющему входу, составляющую напряжения U, приложенного к его основному входу.

Тогда с учетом выражений (6) и (7) напряжение U<> на выходе фазочувствительного выпрямителя 11 определится следующим образом

Ф ин.п. Ln

Ro + Rn + J Cu l u где К11 — коэффициент передачи первого фазочувствительногоо выпрямителя 11.

Ток ln, протекающий в обмотке 3 питания, создает переменный магнитный поток

Ф, преобладающая часть которого замкнута по тому же пути, что и постоянный магнитный поток Ф вследствие незначительного магнитного сопротивления этого пути. В результате витки измерительной обмотки охвачены суммарным магнитным потоком Ф, состоящим из двух составляющих

Ф =Ф +Ф . (9) при этом

М4п (10)

Z где Wn — число витков обмотки 3 питания, охваченных преобладающей частью переменного магнитного потока;

ZM — магнитное сопротивление на пути преобладающей части переменного магнитного потока, Число витков измерительной обмотки 4, охваченных суммарным магнитным потоком соответственно для одной W4-! и другой

W4-(! ее половин описывается выражениями

W41= И. (1+ — ф ), (11)

W4 l! = Я.EI — "" (}), (») где W4-! u W4-(! — число витков одной и другой половин измерительной обмотки 4, охваченных суммарным магнитным потоком;

И4 — число витков одной из половин измерительной обмотки 4, охваченных суммарным магнитным покотом Ф при Хи = 0;

XM — максимальное значение измеряемой величины, С учетом последовательно встречного соединения измерительных полуобмоток суммарное число витков измерительной обмотки

4, охваченное суммарным магнитным потоком, определится следующим образом

= W4-! W4-}! = 2Wo, (13)

Хм

Тогда ЭДС, индуктируемая в измеритель-. ной обмотке 4, при перемещении ферромагнитного сердечника определится выражением еиз =d Ф W б1 (14) V)O = 9 9 e» = -Kg Х

Л бхп(11 х сг Ф йинп. — .+ л = dt

1 б Х„(1}

%i — 2 Х М Х()Л

Ф=W« .cps(а1)

Ro + Rn + J о} !-п .

О Хi((1} }9 WoWn

dt ZM у„,.. .

XM Ro + Rn + J N Ln

ХХ (}

35 (17) 40 или, выполнив соотношение (K2 Х"" -2 Х }=0 (18) что может быть достигнуто, например, подбором при настройке устройства коэффициента передачи выпрямителя 9, имеем

Чт — 2 И/о Wn ° 1

ZM XM

50 х х

Ro+ Rn+J mLn

Wo Wn . (19)

dt ZM

1 о}2 Ф9 W«.п. Sill Ol t

М Ro+Rn+JNLn

ХХ„(t }, Первый фазочувствительный выпрямитель 11 выделяет квадратурную относительИли с учетом выражений (5, :, (9), (10), (13) и (14) имеем

tt(и/ (Ф,. -Ф ) еиз =

dt

9 d WtФ )t} б (Л1Ф,}

dt . б1 tt)t,(1} +

"Хм dt

WoWn 1

10 ZM XM иФ-Wraith СОВ(С11 }

Ro+Rn+J®!-и хп (т } Wo }4 б1 ZM

Х 1 М Ф.99ин.п. з п(tttt)

XM В +Я +)Ш!

Ххп(т}.

На выходе выпрямителя 9 имеем напряжение Ug, которое с учетом соотношения (2) определяется как л dX t

Vg = К9 C ин.п.

d t (16)

". огда на выходе вычитающего блока 10

?5 имеем напряжение, которое с учетом выражений (15) и (16) определяются следующим образом

1677640 но напряжения Чд, приложенного к его управляющему входу, составляющую напряжения 01о, приложенного к его основному входу. Тогда с учетом выражений (6) и (19) напряжение 011 на выходе фазочувствительного выпрямителя 11 определится следующим образом

Ч11=2К " х х + „+ )" " Х (1) где К11 — коэффициент передачи фазочувствительного выпрямителя 11.

Напряжение на выходе логометрического преобразователя 13 с учетом выражений (8) и (20) определится как з =К э 1 =2 К"2 К " Х а " Ч12 К12 (21) х " Х (1)

Zn Ln XM где К з — коэффициент передачи логометрического преобразователя 13.

Тогда, приняв во внимание соотношение

2 п (22) с учетом выражения (21), имеем

Отсюда следует, что напряжение на выходе логометрического преобразователя 6 пропорционально значению измеряемой неэлектрической величины, в частности перемещению Xn(t) объекта.

Напряжение с выхода первого фазочуствительного выпрямителя 11 подается на управляющий вход и блока 14 реверсивного счета, который, если знак напряжения U>< положительный, суммирует число периоДов и ЭДС е, подключенной к его основному входу.

Если знак напряжения 011 отрицательный, то блок 14 реверсивного счета вычитает число периодов и ЭДС еин, подключенной к его основному входу, Выходной сигнал блока 14 реверсивного счета определится соотношением (n = slg n (Хл(т)) ent (1+ " ), (24) где sign (Хп(1)) = 1, при Xn(t) > О

О, при Хп()=0

-1, при Xn(t) < О

ent (1 +

Х, с

) — наибольшее целое

Хп число. не превосходящее отношение (XnWt)

Хп

10

15 "блоков, так как их присутствие не является

Естественным условием нормального функционирования логических элементов, на которых может быть реализована схема цифровогоо блока 14 реверсивного счета и электронных клВчей, обычно имеющихся в схемах фазочувствительных выпрямителей

11, 12, является предварительное формирование электрических уровней сигналов (импульсов) управления.

Формирователи электрических уровней сигналов управления являются неотъемлемой частью укаэанных блоков устройства.

На фиг. 1 данные формирователи сигналов управления не указаны в виде отдельных принципиально необходимым, а носит вспомогательный характер, служит обеспечению надежности и точности функционирования отдельных блоков устройства.

Следует также отметить, что в качестве обмотки 2 питания в устройстве в некоторых случаях может быть использована непосредственно дополнительная обмотка 5 соленоидного датчика 1 (при достаточном количестве витков индукционной обмотки 5, размещаемых в пазе 20), Формула изобретения

1. Устройство для измерения быстроменяющихся неэлектрических величин, содержащее измерительный преобразователь и соленоидный датчик, снабженный обмоткой питания и измерительной обмоткой, которые размещены внутри цилиндрического ферромагнитчого экрана на полом цилиндрическом каркасе, внутри которого расположен жестко связанный с измеряемым объектом ферромагнитный сердечник, причем обмотка питания соленоидного датчика выполнена с равномерным распределением витков вдоль оси каркаса, а измерительная обмотка состоит из двух соединенных последовательно встречно секций, имеющих линейно распределенное от середины каркаса к его краям число витков во вэаимнопротивоположных направлениях, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и экономии энергоресурса источника питания, Соленоидный датчик устройства снабжен дополнительной обмоткой, в торцах ферромагнитного сердечника установлены постоянные магниты с цилиндрическими полюсными наконечниками, по длине каркаса на его внешней поверхности выполнены окружные пазы, имеющие в профиле форму полупериода синусоиды, в которых уложена дополнительная обмотка, причем расположенные в соседних пазах участки дополни1677640 тельной обмотки соединены между собой последовательно встречно.

2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что измерительный преобразователь содержит соединенные с общей шиной выпрямитель, вычитающий блок, первый и второй фазочувствительные выпрямители, логометрический преобразователь, блок реверсивного счета и образцовый резистор, первый вывод обмотки питания соленоидного датчика соединен с первым выводом дополнительной обмотки, с входом выпрямителя, с входом второго фазочувствительного выпрямителя, с входом блока реверсивного счета, с вторым выходом измерительного преобразователя, э первый вывод измерительной обмотки подсоединен к одному входу вычитающего блока, другой вход которого соединен с выходом выпрямителя, вторые выводы дополнительной и измерительной обмоток соленоидного дагчика подсоединены к общей шине, второй вывод обмотки питания соленоидного

5 датчика подсоединен к управляющему входу первого и второго фазочувствительных выпрямителей и через образцовый резистор к общей шине, выход вычитающего блока соединен с входом первого фазочув10 ствительного выпрямителя, выход которого соединен с управляющим входом блока реверсивного счета и одним входом логометрического преобразователя, другой вход которого соединен с выходом второго фазо15 чувствительного выпрямителя, выход логометрического преобразователя является первым выходом измерительного преобразователя, третий выход измерительного преобразователя соединен с выходом блока

20 реверсивного счета.

Составитель M. Тихонов

Редактор О. Спесивых Техред M.Моргентал Корректор М, Кучерявая

Заказ 3112 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1 3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

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