Датчик виброперемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля низкочастотной вибрации. Цель изобретения - повышение точности за счет линеаризации выходной характеристики датчика. Для этого в датчик виброперемещений, содержащий трехстержневой магнитопровод с тремя обмотками, якорь, расположенныймежду боковыми стержнями, и генератор, введены фазочувствительный преобразователь, инвертирующий повторитель, два диода и двухтактный амплитудный модулятор. При этом коэффициенты передачи Кос двухтактного амплитудного модулятора и Кф фазочувствительного преобразователя выбираются равными Кос = lMW/иэад, Кф=1,5 I UsaA/KalnW), где Ка = 8,88 Wef/^S, W и WB ~ число витков обмотки центрального и бокового стержней, I - расстояние между якорем и боковыми стержнями (в нейтральном положении якоря); f- частота генерато- pa:fi- магнитная проницаемость воздуха; б -•площадь сечениябоковых стержней, 1м - амплитудное значение тока в обмотке центрального стержня; Узад - заданное значение выходного напряжения. Образованная в датчике система с обратной связью и указанным выбором коэффициентов передачи позволяет линеаризовать выходную характеристику за счет автоматической регулировки полного передаточного коэффициента датчика на всем диапазоне измеряемых перемещений. 4 ил.Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля низкочастотной вибрации в объектах, в которых кроме виброперемещений рабочего органа возможны статические перемещения.Известен датчик виброперемещений, содержащий два трехстержневых магнитолровода, якорь, расположенный между ними и установленный с зазором относительно них, обмотки, размещенные на цен-/тральных стержнях, и измерительную схему. Известен также датчик виброперемещений, содержащий трехстержневой Ш-образный магнитопровод, обмотку возбуждения, размещенную на центральном стержне, две измерительные обмотки, размещенные на боковых стержнях, якорь, расположенный между боковыми стержнями с возможностью перемещения относительно стержней, генератор переменного напряжения, подключенный к обмотке возбуждения. и блок обработки.4:^.СА>& ЫО

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 В 7/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4686002/28 (22) 27.04.90 (46) 23.02.92. Бюл. !Ф 7 (71) Воронежский инженерно-строительный институт (72) В.Д.Волков, Л.Г.Гольденберг и А,И.Куцовский (53) 531.717(088.8) (56) Аранович Б.И. и Шамрай Б.В. Электромагнитные устройства автоматики. — М.:

Энергия, 1965, с. 451, рис. 6-4а, Тищенко H.M. Проектирование магнитных и полупроводниковых элементов автоматики. — М.: Энергия, 1970, с. 109, рис, 2-2а.

1 (54) ДАТЧИК ВИБРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля низкочастотной вибрации. Цель изобретения — повышение точности за счет линеариэации выходной характеристики датчика, Для этого в датчик виброперемещений, содержащий трехстержневой магнитопровод с тремя обмотками, якорь, расположенный

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля низкочастотной вибрации в объектах, в которых кроме виброперемещений рабочего органа возможны статические перемещения.

Известен датчик виброперемещений, содержащий два трехстержневых магнитопровода. якорь, расположенный между ними и установленный с зазором относительно них, обмотки, размещенные на цен. Ж 1714330 А1 между боковыми стержнями, и генератор. введены фазочувствительный преобразователь, инвертирующий повторитель, два диода и двухтактный амплитудный модулятор.

При этом коэффициенты передачи К0с двухтактного амплитудного модулятора и Кф фазочувствительного преобразователя выбираются равными Koc - !мИ/0аад, КФ=1.5 I 0зад/Кг!м1й) где Кг = 8,88 Wnf и$, W и Юlв — число витков Обмотки центрального и бокового стержней, — расстояние между якорем и боковыми стержнями (в нейтральном положении якоря); f — частота генератора;р- магнитная проницаемость воздуха; б — площадь сечения боковых стержней, IM — амплитудное значение тока в обмотке центрального стержня; Оаад заданное значение выходного напряжения.

Образованная в датчике система с обратной связью и указанным выбором коэффициентов передачи позволяет линеариэовать выходную характеристику за счет. автоматической регулировки полного передаточного коэффициента датчика на всем диапазоне измеряемых перемещений, 4 ил. тральных стержнях, и измерительную схему. Известен также датчик виброперемещений, содержащий трехстержневой

LU-образный магнитопровод, обмотку возбуждения, размещенную на центральном стержне, две измерительные обмотки, размещенные на боковых стержнях, якорь, расположенный между боковыми стержнями с воэможностью перемещения относительно стержней, генератор переменного напряжения, подключенный к обмотке возбуждения. и блок обработки.

1714330

В известном датчике блок обработки выполнен в виде дифференциальной схемы.

При перемещении якоря, механически связанного с объектом„вибрация которого контролируется, на выходе блока обработки появляется напряжение, зависящее от величины перемещения якоря. Недостатком известных датчиков является относительно низкая точность работы, что приводит к непостоянству коэффициента передачи датчика при различных положениях якоря и затрудняет проектирование систем автоматического управления вибрационными объектами, на которых датчик используется в качестве источника информации о виброперемещениях объекта.

Цель изобретения — повышение точности за счет линеаризации выходной характеристики датчика.

На фиг.1 изображена функциональная схема датчика виброперемещений; на фиг,2 — график статических характеристик датчика; на фиг.3- структурная схема датчика; на фиг.4 — график выбора настроечных параметров.

Датчик виброперемещений содержит трехстержневой Ш-образный магнитопровод 1, якорь 2, расположенный между боковыми стержнями магнитопровода, обмотку

3 возбуждения, размещенную на центральном стержне и подключенную к генератору

4 переменного напряжения, измерительные обмотки 5.1 и 5.2, размещенные на боковых стержнях. Датчик содержит также блок 6 обработки, включающий фазочувствительный преобразователь 7, инвертирую.щий повторитель 8, первый диод 9, второй диод 10 и двухтактный амплитудный модулятор 11. На центральном стержне магнитопровода, кроме обмотки 3 возбуждения, находится дополнительная обмотка 12. Выходы измерительных обмоток 5 1 и 5.2 соединены с первым и вторым входами фазочувствительного преобразователя 7, выход которого связан с катодом первого диода 9 и через инвертирующий повторитель 8 — с катодом второго диода 10. Аноды диодов объединены и подключены к первому входу двухтактного амплитудного модулятора 11, второй вход которого соединеН с генератором 4 переменного напряжения, а выход- с дополнительной обмоткой 12.

На фиг.2 обозначено: Х вЂ” статическое перемещение якоря 2, 1 — расстояние между якорем и боковыми стержнями магнитопровода при нейтральном положении якоря, Ег и Ез — действующие значения электродзижущих сил на измерительных обмотках 5.1 и 5.2, E — разность злектродвижущих сил Е и Е2.

55 где 1 — расстояние между якорем и боковыми стержнями магнитопровода при нейтрзльном положении якоря; р; магнитная проницаемость среды, находящейся в воздушном зазоре, в частности, воздуха;

Я вЂ” площадь поперечного сечения якоря (боковых стержней); К - постоянный

1 коэффициент.

Сопротивление воздушного зазора между якорем и центральным стержнем при

На фиг.3.обозначено: Кз — коэффициент передачи датчика в предположении, что дополнительная обмотка 12 отсутствует, а блок обработки выполнен в виде дифферен5 циальной схемы, Кф — коэффициент передачи фазочувствительного преобразователя, К вЂ” коэффициент передачи двухтактного амплитудного модулятора, l и W — амплитудное значение тока и число витков обмот10 ки 3 возбуждения, 0 — действующее энзчеwe напряжения на выходе датчика.

На, фиг,4 обозначено: Озад — заданное значение выходного напряжения датчика, hUi и Ж4 — величины, введенные для оцен15 ки максимальной ошибки воспроизведения датчиком заданного коэффициента передачи, остальные обозначения соответствуют обозначениям, принятым на фиг.2 и фиг.3.

Датчик виброперемещений работает

20 следующим образом.

При подключении датчика к источнику питания (не показан) от генератора 4 переменного напряжения в обмотку 3 возбуждения подается гармоническое напряжение с

25 постоянной амплитудой и фиксированной частотой, которая существенно выше частоты изменения виброперемещений якоря 2 (в большинстве случаев частота напряжения, питающего обмотку 3 возбуждения, состав30 ляет тысячи герц, а частота изменения виброперемещений — десятки герц). За счет этого в магнитопроводе 1 возникает разветвленный магнитный поток, приводящий к появлению электродвижущих сил в измери35 тельных обмотках 5.1 и 5.2, расположенных на боковых стержнях.

При нейтральном положении якоря 2 магнитные сопротивления воздушных зазоров между якорем и боковыми стержнями

40 (магнитные сопротивления стержней магнитопровода ввиду их малости по сравнению с сопротивлением воздушных зазоров не учитываются} одинаковы и определяются соотношением

1714330 рассмотрении работы датчика не учитывается, так как зеличина этого зазора существенно меньше зазора между якорем и боковыми стержнями и выбирается только для обеспечения возможности перемеще- 5 ния якоря 2 в рабочем направлении, т.е, в направлении боковых стержней.

При нейтральном положении якоря одинаковыми будут также амплитудные значе- 10 ния магнитных потоков в боковых стержнях (м W

©м1 ©иг

K1l (2) 15 где t — амплитудное значение тока в обмотке 3 возбуждения, зависящее при заданной геометрии магнитопровода (при описании работы датчика предполагается, что геометрия магнитопровода задана и неизменна) от 20 амплитудного значения напряжения на выходе генератора 4 переменного напряжения; W — количество витков в обмотке 3 возбуждения.

При равном числе витков в измеритель- 25 ных обмотках 5.1 и 5.2

1(4 ЧЧ

К-Г1- Х :

Е1 4,44 Ж/бФ (м W, К1 1 — х)

Ф/1 = Щ = Wg (3) действующие значения электродвижущих 30 сил, возникающих на измерительных обмотках 5.1 и 5.2:

Результирующая электродвижущая сила (сигнал на выходе: дифференциальной

35 схемы) 2 444Яб|

К1 (! — х ) где f — частота напряжения, поступающего с генератора 4, также будут одинаковыми, а разность между ними 40

Е1 — Ег = 0. (6) При смещении якоря 2 с нейтрального положения равенство магнитных сопротив- 45 лений, потоков и электродвижущих сил нарушается. Для выявления специфических особенностей и преимуществ. датчика его работу при смещении якоря с нейтрального . полежения целесообразно рассмотреть как 50 в предположении. что дополнительная обмотка 12 отсутствует, а блок обработки выполнен в виде дифференциальной схемы, так и при наличии дополнительной обмотки и блока обработки, включающего фааочув- 55 ствительный преобразователь 7, инмртируййций повторитель 8, первый и второй диоды 9 и 10 и двухтактный амплитудный модулятор 11.

Е1 4,44 196|Ф 41: (4)

Ег 4,44 М/е1Ф44г, (5}

Работа датчика в предположении, что дополнительная обмотка на центральном стержне отсутствует, а блок обработки выполнен в виде дифференциальной схемы.

При смещении якОря 2 от нейтрального положения на величину Х, магнитное сопротивление одного воздушного зазора уменьшается. а другого увеличивается;

В241 K1 (I — X); (7) й24г - K1(I + X). (8) Соответственно магнитные потоки в боковых стержнях будут изменяться по соотношениям

I24 W э."2 KKI õ 3 (10!

В измерительных обмотках 5.1 и 5.2 при этом возникнут электродвижущие силы

Е2-444 W41 ф . (12) г Х 114(W i

Кг

1 -Х (ГЗ) 8,88 Wef где Кг = — — постоянный коэффициК1 ент.

Таким образом, электродвижущие силы

Е1 и Ег, возникающие на измерительных, обмотках 5.1 и 5.2, и результирующая электродвижущая сила Е являются функциями перемещения якоря Х и ампер-витков l

1714330 схеме). Формирование результирующей электродвижущей силы Е в данном варианте осуществляется аналогично описанному выше. Различие состоит лишь s том, что вычитание сигнала Е2 иэ сигнала Е> осуществляется на входе фазочувствительного преобразователя 7.

Характерной особенностью датчика виброперемещений является линеаризация статической характеристики датчика Е =

- Е(Х) путем использования специфической обратной связи. Обратной связью охватывается не основной канал датчика "перемещение якоря Х вЂ” электродвижущая сила Е", а вспомогательный канал "ампер-витки обмотки возбуждения I W — электродвижущая сила E". Возможность осуществления такой обратной связи вытекает из соотношения

13, из которого следует, что электродвижущая сила Е зависит не только от перемещения якоря Х, но и от ампер-витков IMW обмотки возбуждения.

Для осуществления обратной связи электродвижущие силы Е1 и Ер, индуцируемые на измерительных обмотках 5.1 и 5.2 и зависящие от перемещения якоря 2, подаются на первый и второй входы фазочувствительного преобразователя 7, в котором алгебраически суммируются, усиливаются по напряжению, выпрямляются и фильтруются. В результате этого на выходе фазочувствительного преобразования 7 формируется напряжение постоянного тока, величина которого зависит от величины смещения якоря 2 из нейтрального положения, а знак определяется направлением смещения. Необходимость использования фазочувствительного преобразователя обусловлена тем, что при изменении направления смещения якоря 2 из нейтрального положения фаза результирующей электродвижущей силы E изменяется на 180 электрических градусов.

Поскольку знак напряжения на выходе фазочувствительного преобразователя 7 при изменении направления смещения якоря из нейтрального положения изменяется на обратный, возможен переход отрицательной обратной связи в положительную.

Для исключения такого перехода в датчике виброперемещений выделяется модуль выходного напряжения фазочувствительного преобразователя 7. Выделение модуля осуществляется инвертирующим повторителем 8, первым диодом 9 и вторым диодом

10. причем на катод первого диода 9 выходное напряжение фазочувствительного преобразователя 7 поступает непосредственно, э на катод второго диода 10 — через инвертирующий повторитель 8. Так как ве5

50 личина выходного напряжения инвертирующего повторителя 8 равна величине напряжения íà его входе, а знак выходного напряжения противоположен знаку входного, при постуйлении неинвертируемого и инвертируемого напряжений на катоды диодов 9 и 10 на объединенных анодах этих диодов выделяется модуль выходного напряжения фэзочувствительного преобразователя 7.

С анодов диодов 9 и 10 напряжение поступает на первый вход двухтактного амплитудного модулятора 11, на второй вход которого поступает гармоническое напряжение с выхода генератора 4, На выходе двухтактного амплитудного модулятора 11 формируется сигнал переменного напряжения, фаза которого совпадает с фазой напряжения на его втором входе, т.е. на выходе генератора 4, а амплитуда пропорциональна уровню напряжения на первом входе. Переменное напряжение с выхода двухтактного амплитудного модулятора 11 подается на дополнительную обмотку 12 центрального стержня, нэ обмотку 3 которого поступает напряжение с выхода генератора 4.

Обмотки 3 и 12 намотаны на центральном стержне магнитопровода встречно. следовательно, ампер-витки дополнительной обмотки 12 вычитаются из ампер-витков обмотки 3, Соответственно вычитаются магнитные потоки, создаваемые обмотками 3 и

12, т.е. канал "ампер-витки I

Структурная схема образовавшейся системы с обратной связью представлена на фиг,3. На этой схеме Кз является коэффициентом передачи звена, входной величиной которого являются ампер-витки обмотки возбуждения, а выходной — электродвижущая сила Е. Уравнением этого звена является соотношение (13), причем за входную величину принято не перемещение якоря Х, а ампер-витки I W. т.е.

Е 8,88М/огХ 4)

1 W K3(12 Х2) На фиг.3 Кф является коэффициентом передачи фазочувствительного преобразо- . вателя 7, э К с — коэффициентом передачи двухтактно«о амплитудного модулятора 11.

Звено в прямой цепи. включающее инвертирующий повторитель 8, первый и второй диоды 9 и 10, обладает коэффициентом передачи, равным единице, и на структурной схеме не показано. 1714330

15 0зад

К2 1м W (19) U—

1 + Кз Кф Кос (15) 2Х2

Выходное напряжение образовавшейся системы с обратной связью где U — напряжение на выходе фазочувствительного преобразователя 7, являющееся одновременно выходным напряжением датчика.

Возможен такой выбор параметров датчика, при котором происходит линеариэация его статической характеристики. В датчике виброперемещений в качестве варьируемых. настроечных параметров приняты два конструктивных параметра —. коэффициент передачи Кф фазочувствительного преобразователя 7 и коэффициент передачи Кос двухтактного амплитудного модулятора 11. Остальные параметры принимаются заданными, неизменяемыми.

Получив численное значение выходного напряжения датчика U-=. 0зад непосредственно из соотношения (15) следует, что при

Х !

U = 0зад = — (16)

lMW

Uoc где ампер-витки IMNf — заданная величина.

Из (16) определяется численное значение настроечного параметра Кос .

Кос- U — (17)

lM \М зад

Расчетная формула для определения настроечного параметра Кф выводится иэ уравнения (15) при подстановках:

U 0,5 Озад

Х 05!

l4ñ - lм Изад {18)

После подстановок и преобразований получим:

5 Таким образом, при значении Кф, рассчитанном по формуле (19), минимизируется максимальное отклонение линеаризованной характеристики датчика от "идеальной" линейной характеристики. Приведенные на

10 фиг.4 "идеальная" линейная характеристики датчика и линеариэованная характеристика соответствуют смещению якоря 2 в одну сторону от его нейтрального положения. При смещении якоря в противополож15 ную сторону статические характеристики идентичны и располагаются в третьем квадранте.

Формула изобретения

Датчик виброперемещений, содержа20 щий трехстержневой LU-образный магнитопровод, обмотку возбуждения, размещенную на центральном стержне, две измерительные обмотки, размещенные на боковых стержнях, якорь, расположенный между бо25 ковыми стержнями с воэможностью перемещения относительно стержней, генератор переменного напряжения, подключенный к обмотке возбуждения, и блок обработки, отл ич а ю щи и с я тем, что, с

30 целью повышения точности, он снабжен дополнительной обмоткой, размещенной на центральном стержне, а блок обработки выполнен в виде фазочувствительного преобразователя, подключенного к выходам

35 измерительных обмоток, инвертирующего повторителя, двух диодов и двухтактного амплитудного модулятора, выход фазочув, ствительного преобразователя соединен с катодом первого диода и через инве ртируе40 щий повторитель — с катодом второго диода, аноды диодов объединены и подключены к первому входу двухтактного амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с генератором переменного напряжения, а

45 выход --с дополнительной обмоткой.

1714330

1714330 х 4,5t, х

ФИР. 4

Составитель ЛХольденберг

Редактор И.Ванюшкина Техред М.Мергентал Корректор Э.Лончакова

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

Заказ 681 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного-комитета по изобретениям и открмтиям при ГКНТ СССР

11303S, Моске», Ж-35, Раушская наб.,4/б