Измерительное устройство

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам, обеспечивающим измерение деформаций на элементах вращающихся объектов, Цель изобретения - .повышение точности. Устройство позволяет с высокой точностью и надежностью определить деформации вращающейся части конструкции объекта испытания с числом оборотов до 10.000 об/мин в широком температурном диапазоне и с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧ Е СКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 В 7/18

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (> йт исиююика пи лиии.и

- (21) 4849558.28 (22) 09.07.90 (46) 23.12.92. Бюл. М 47 (71} Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.E.Жуковского (72) Б.П,Подборонов, Н.Г,Парфенов, С.Г.Парфенов, В.П,Якушин, В.И,Назаров, Il.Â.Ìèîäóøåàñêèé и С.С. Соколов (56) Авторское свидетельство СССР

N 943801, кл. С 08 С 19/12, 1980.

Измерительное устройство "MODEL

1600A", каталог фирмы ACUREX, США.

„„53J 1783289 А1 (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именйо к устройствам; о6еспечивающим измерение деформаций на элементах вращающихся обьектов. Цель изобретения — повыщение точности. Устройство позволяет с высокой точностью и йадежностью определить деформации вращающейся части конструкЦии обьекта испытания с числом оборотов до 10.000 o6/мин в.широком температурном диаггаэане и с

1783289 вращающихся воздушных трансформаторов 7, 10 и электронных элементов его управления 30, 31, 32, a также управляемого стабилизатора напряжения 36 с электронными органами управления 23, 24, Гальванически разделенное питание осуществляется дополнительным двухполярным стабилизатором напряжения 37, с питанием от последовательно соединенных обмоток со средне-заземленной точкой трансформаторов нагрузки 3, 4, 1 ил. высокой помехочувствительностью, за счет расположения на вращающейся части только первичных пр, применения схемы автокомпенсатора, дополнительной стабилизации переменного напряжения питания первичных преобразователей и гальванически разделенного питания электронных элементов стационарной части устройства.

Это достигается введением трансформатора уравновешивания 11, включенного последовательно"Со средней точкои первичных обмоток

Изобретение относится к измеритель- онарной части объекта, причем вращающейной технике, а именно к устройствам. обес- ся частью устройство соосно с вращающимся печивающим измерение деформаций на объектом и работает следующим образом. элементах вращающихся объектов с бескон- Импульсы, частотой 160 кГц, с генератотактными способами передачи информа- 5 ра передаютсяотстационарнойчастичерез, ции; - воздушный трансформатор на вращающуюИзвестны устройства тензометрирова- ся часть для запитывания тензорезисторнония вращающихся объектов. го моста. Снимаемые с другой диагойали

Устройства представляют собой пер- моста сигналы модулируются и передаются вичные и вторичные преобразователи ин-" 10 черезконденсатор.обкладкикоторогонахоформации об измеряемых параметрах, дятся на стационарной и вращающейся чарасполагаемых как на вращающейся части стях объекта, усиливаются, поступают на тензометрируемого объекта, так и на стаци- фазовый демодулятор и фильтр низких часонарной части, при этом блоки сопряжения тот, а далее на цифровой калькулятор. элементов устройств стационарной и вра- 15 Однако, это устройство не обеспечивает щающейся частей представляют собой воз- высокой точности измерений в широком дидушные трансформаторы, передающие апазонетемператури придлительных испыэнергию питания тензомосгов и электрон- таниях, поскольку при этих условиях ной аппаратуры от стационарной и враща- изменяются характеристики устройства изющейся части устройства через воздушные 20 за воздействия внешней среды, а компенситрансформаторы и емкости, одна обкладка рующие свойства электронной части не которых неподвижна,адругая — вращающа- высоки, так как система измерения имеет яся для передачи измерительной информа- открытый или разомкнутый вид. ции I1j. Кроме того, конструкция устройства

Наиболее близким по технической сущ- 25 рассчитана только на один измерительный ности, достигаемому эффекту и конструкции канал. к измерительному устройству является из- Целью изобретения является повышеделие MODEL 1600A, выпускаемое фирмой ние точности в широком температурном диаACUREX США, для измерения момента на пазоне, длительных испытаниях, росте также вращающемся валу (2). 30 по высокооборотности и числу измерительУстройствосодержитвоздушныйтранс- ных.каналов. Поставленная цель достигается форматор, включающий обмотку на стацио- тем, что измерительное устройство, содержанарной части и обмотку на вращающейся щее два параллельно соединенных тензоречастиустройства, генераторимпульсовсча- зисторных полумоста. первый и второй стотой 160 кГц и усилитель, содержащийся 35 конденсаторы. каждый из которых соединен на стационарной части устройства, частот- сосреднейточкойсоответствующего полумоный модулятор и вращающуюся обкладку ста, первый воздушный трансформатор, выконденсатора, находящиеся на вращаю- полненный с одной первичной и с двумя щейся части устройства, а также стационар- вторичными обмотками, второй воздушный ную обкладку конденсатора, усилитель, 40 трансформатор, выполненный с одной перфазовый демодулятор, фильтр низких час- вичной и двумя вторичными обмотками, тот и калькулятор, находящиеся на стацио- каждая из которых последовательно соединарной части устройства, Устройство нена с соответствующей вторичной обмотустанавливается на вращающейся и стаци- кой первого воздушного трансформатора, 5

1783289

МДР транзистора и заземлен, шестой кон- 15 денсатор, соединен со стоком первого МДП

20 входом фильтра нижних частот, нуль-индикатор, выход которого соединен с входом 30 соединен с соответствующим первым или вторым конденсатором, и выходом, соеди- 35 ненным с нуль-индикатором, первичные обмотобмоток воздушных трансформаторов зазем- 40 лена, а другие выводы второй пары последо45

55 третий конденсатор, шунтирующий первую пару последовательно соединенных вторичных обмоток воздушных трансформаторов, задающий генератор импульсов, стабилизатор напряжения, соединенный с задающим генератором импульсов, делитель частоты с парафазными выходами, последовательно соединенный с задающим генератором импульсов, первый и второй МДП. Транзисторы, затвор каждого иэ которых соединен с соответствующим выходом делителя частоты, э исток заэемлен, четвертый и пятый конденсаторы, каждый из которых соединен с соответствующим стоком первого и второго транзистора и с первичной обмоткой первого воздушного трансформатора, седьмой конденсатор, соединенный со стоком второго МДП транзистора и с первичной обмоткой второго воздушного трансформатора, первый и второй согласующие трансформаторы, первичная обмотка каждого из которых соединена с соответствующим стоком первого или второго МДП транзистора, фильтр нижних частот, фазовый демодулятор, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты, а выход со фазового демодулятора, а вход соединен с выходом делителя частоты, входной коммутатор с двумя входами, каждый из которых ки воздушных трансформаторов соединены последовательно. точка соединения второй пары последовательно соединенных вторичных вательно соединенных вторичных обмоток воздушных трансформаторов образуют диагональ питания параллельно включенных тензорезисторных полумостов, а тензорезисторные полумосты, вторичные обмотки воздушных трансформаторов, третий конденсатор и одна из обкладок каждого из первого и второго конденсаторов преднаэначены для размещения на исследуемом обьекте, снабжено ключевым элементом, вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, а управляющий вход соединен с выходом делителя частот, усилителем мощности, вход которого соединен с выходом ключевого элемента, восьмым конденсатором, соединенным с выходом усилителя мощности, трансформатором уравновешивания, первый выход первичной обмотки которого соединен с восьмым конденсатором, а второй вход его первичной обмотки заземлен, первый выход его вторичной обмотки подключен к общей точке первичных 06М0ток воздушных трансформаторов, а второй

5 выход его вторичной обмотки эаэемлен, девятым и десятым конденсаторами, каждый иэ которых соединен с соответствующим питающим тензорезисторные полумосты выходом вторичной обмотки соответствующего воздушного трансформатора, нормализатором напряжения питания:тензорезисторных полумостов, каждый из двух входов которого соединен с соответствующим девятым или десятым конденсэтором, управляемым стабилизатором напряжения питания трансформаторов нагрузки МДП транзисторов, вход которого соединен с выходом нормализаторэ напряжения питания тенэорезисторных полумостов, а выход — к средней точке вторичных обмоток согласующих трансформаторов, блоком подстроечных резисторов компенсации разбаланса тензореэисторных мостов, вход которого соединен с выходом нормализатора напряжения питания

5 тензорезисторных полумостов, а суммарный выход подключен к нуль-индикатору. одна из обкладок каждого из девятого и десятого конденсаторов предназначена для закрепления на исследуемом обьекте, управляющий вход блока подстроечных резисторов компенсации раэбаланса тензорезисторных полумостов и выход коммутатора предназначен для подключения к внешним устройствам, Физическим моделированием установлено, что введение в устройство автокомпенсатора, реализованного путем снабжения устройства. ключевым элементом, фильтром нижних частот. дополнительным усилителем мощности, делителем частоты с парафэзным выходом, разделительным конденсатором, трансформатором уравновешивания, двух дополнительных конденсаторов со стационарной и вращающейся обкладками, нормализатора напряжения питания тенэорезисторных полумостов, управляемого стабилизатора напряжения питания трансформаторов нагрузки

МДП транзисторов, блока подстроечных резисторов компенсации рэзбаланса тензорезисторных floilóìocòîâ "по реактивной" составляющей, обеспечивает повышение точности измерений в широком температурном диапазоне при длительных испытаниях для нескольких измерительных каналов вращающегося с высокими оборотами объекта.

На чертеже приведена структурная схема измерительного устройства.

Измерительное устройство содержит два МДП транзистора 1 и 2, истоки которых заземлены, а стоки идут на первичные обмотки W>, трансформаторов нагрузки 3 и 4

1783289 с одной стороны, причем сток транзистора

1 через конденсатор 5 зашунтирован на . землю и через разделительный конденсатор

6 соединен с вращающейся обмоткой W>, воздушного трансформатора 7, сток трансформатора 2 через конденсатор 8 зашунтирован на землю и через разделительный конденсатор 9 соединен с вращающейся обмоткой W воздушного трансформатора 10, средняя точка обмоток W> и W> трансформаторов 7 и 10 соединена с обмоткой М/г трансформатора 11, второй конец которой заземлен, вторичные обмотки Лз вращающихся трансформаторов 7 и 10 соединены между собой с одной стороны. а с другой стороны соединены "резонансной" емкостью 12, Одни кОнЦы обмоток W2 трансформаторов 7 и 10 их общей точкой заземлены. а другие концы этих обмоток W2 трансформаторов 7 и 10 подключены к тензорезисторным полумостам, образованным датчиками 13, 14, 15, 16, 17. 18. причем вершины полумостов соединены с вращающимися Обкладками конденсаторов 19 и 20, а средние точки полумостов соединены с вращающимися обкладками конденсаторов 21, 22 и 23, стационарные обкладки конденсаторов 19 и 20 подключены на вход нормализатора напряжения 24, который двумя своими выходами связан с блоком подстроечных резисторов 25, одновременно с этим стационарные обкладки конденсаторов 21. 22 и 23 соединены со входом коммутатора 28, который еще тремя входами, также как и блок подстроечных резисторов 25 связан с внешним устройством сигналами 2, 2, 2, а вход коммутатора о 1 г

26 подключен к нуль-органу 27, два выхода которого подключены к фазовому демодуля. тору 28, управляющий вход которого подключен к одному из парафазных выходов делителя частоты 29, парафазные выходы которого также подключены к затворам

МДП транзисторов 1 и 2 и одному входу ключевого элемента 30, второй вход которого соединен с одним из двух выходов фильтра нижних частот 31, второй вход которого

" 10 В" идет на внешнее устройство, а выход ключевого элемента 30 подключен ко входу усилителя мощности 32, выход которого через разделительный конденсатор 33 идет на первичную обмотку трансформатора 11, второй выход которого заземлен.

Устройство может быть выполнено на базе микроэлектронных средств серий 564, 590, 140. Конкретно: коммутатор 26 может быть построен на базе микросхемы 590КН6, аналогично на базе уже двух микросхем

590КН6 может быть построен коммутатор 25.

Блок 24 как и блок 27 может быть выполнен

15

25

35 трансформаторов 3 и 4, являющихся индуктивной нагрузкой МДП транзисторов 1 и 2.

45

55 на базе двух операционных усилителей серии 140 каждый, Фазовый демодулятор 28 может быть построен на микросхеме серии

590КН4, ключевой элемент 30 — на микросхеме серии 590КН9, усилитель мощности

32 — на МДП транзистора 2П901, стабилизатор 34 — на базе стабилитрона КС814, стабилизатор 32 — на базе микросхемы 142ЕН6, а управляемый стабилизатор напряжения 36— на базе Операционного усилителя серии 140 и умощня ющего каскада.

Генератор тактовых импульсов 35 может быть построен на базе микросхемы.

564ЛА7, а парафазный делитель частоты 29 — на 564ТМ2 с умощняющим выходом на базе микросхемы 564ЛА10.

Устройство работает следующим образом..

С включением питания+12+24 В стабилизатор 34 подает напряжение +10 В на генератор импульсов 35. рабочая частота которого подбирается и стабилизируется с учетом резонанса во вторичных обмотках трансформаторов 7 и 10. После деления на делителе 25 частота генератора 35 поступает на затворы МДП транзисторов 1 и 2, управляя их противофазным открытием и закрытием, При включении питания производится также включение управляемого стабилизатора напряжения 36 с выходным стабилизированным напряжением+10 В, подаваемым на среднюю точку первичных обмоток

Возникающее при работе транзисторов 1 и

2 переменное напряжение во вторичных обмотках 1йг трансформаторов 3 и 4 поступает на стабилизатор 37. обеспечивающий гальванически развязанное от сети 12-24 В напряжение +15 В всех электронных блоков устройства для повышения их помехоустойчивости.

Одновременно прямоугольные противофазные импульсы, снимаемые с индуктивной нагрузки МДП транзисторов 1 и 2 поступают через разделительные конденсаторы 6 и 9 на последовательно соединенные стационарные обмотки И/1 вращающихся воздушных трансформаторов 7 и 10. Средняя точка этих обмоток заземлена через последовательно включенную понижающую вторичную обмотку М/г трансформатора 11, обеспечивая включение этих транзисторов, Конденсаторы 5 и 8 шунтируют стоки МДП транзисторов 1 и 2 на шину изделия и обеспечивает их защиту от встречных противоЭДС, возникающих в индуктивной нагрузке при отключении цепи питания.

1783289

С целью деформирования гармонического сигнала во вторичных обмотках Wz трансформаторов 7 и 10 и получения резонанса напряжения в этих трансформаторах, в них дополнительно выполнены обмотки 5

W3, которые включены последовательно и зашунтированы резонансным конденсатором 12, который обеспечивает настройку на частоту 20000-30000 Гц при нагрузке обмоток Wz восемью тензореэисторными полу- 10 мостами с номинальным сопротивлением тензорезистора 120-200 см, Тенэорезисторы 16, 17, 8 включены в качестве активных по трехпроводной схеме для компенсации сопротивления соединительных проводов, 15 что на схеме не показано.

Тензорезисторы 13, 14, 15 являются компенсационными. также возможно и их активное включение.

Последовательно включенные обмотки 20

Wz трансформаторов 7 и 10 с заземленной точкой их соединения при подаче питания на тенэорезисторные полумосты образуют многоплечевой измерительный трансформаторный мост, измерительная диагональ кото- 25 рого. в свою очередь, образуется земляной шиной и соответствующим выводом средней точки тензорезисторного полумоста, соответственно подключенного к вращающейся пластине воздушного конденсатора 21, 22, 23, 30

Процесс измерения изменения сопротивления тензорезисторов 13, 14, 15, 16, 17,18 начинается с выбора соответствующего канала путем подключения соответствующей стацйонарной пластины одного из вра- 35 щающихся конденсаторов 21, 22, 23 коммутатором 26 при подаче на входы коммутатора 26 управляющего трехбитного двоичного кода 2, 2, 2 от внешнего устройства, Измерительное устройство строится по 40 схеме автокомпенсатора, для чего с целью исключения влияния нестабильности на пряжения питания на датчики. а также для обеспечения стабильности и линейности усилителя сигналов достаточно обеспечить 45 распознавание знака или фазы разбаланса тензорезисторного моста при необходимой чувствительности и быстродействии усилительного тракта устройства.

С целью компенсации разбаланса тензо- 50 резисторного моста по реактивной составляющей, учитывая, что датчики запитываются переменными гармоническими сигналами, через два вращающихся воздушных конденсатора 19 и 20 напряжение питания тензо- 55 резисторов 13, 14, 15, 16, 17, 18 подается на нормалиэатор 24, сигнал с которого поступает на блок подстроечных резисторов 25, Индивидуально для каждого тензорезисторного полумоста имеется свой однократно настраиваемый резистор. Суммарный выход сигналов этих резисторов и сигналов разбаланса моста поступает на один иэ входов нуль-органа 27. Парафазный аналоговый сигнал с нуль-органа 27 поступает на вход фазового демодулятора 28. который в такт с частотой импульсов питания первичных обмоток трансформаторов 7 и 10 производит детектирование сигналов измерительного моста, интегрируемых затем фильтром нижних частот 31 в выходной сигнал, величина которого пропорциональная сигналу разбаланса с моста. Выходной сигнал затем также модулируется частотой импульсов питания в ключевом элементе 30;. усиливается усилителем мощности 32 и через разделительный конденсатор 33 подается на первичную обмотку В/1 трансформатора уравновешивания

11, выходящую на точку. соединения обмоток

W< трансформаторов 7 и 10.

Трансформаторы 7 и 10 являются понижающими в соотношении 4 к 1. Трансформатор 11, также понижающий 15 — 30 к 1. В силу этого, подаваемый на первичную обмотку W< трансформатора 11 и нормируемый в пределах 10 В импульсный сигнал вызывает изменение потенциалов в обмотках Wz трансформаторов 7 и 10 в пределах

<-100 мВ. Так как изменение сигнала разбаланса тензомоста в рабочем диапазоне составляет, примерно, й100 мВ. то этот разбаланс можно компенсировать на вращающейся части устройства, подавая соответствующим образом нормируемый сигнал через обмотку Wz трансформатора t1. При этом в одном случае фаза сигнала W< трансформатора 11 будет совпадать с фазой сигнала W<, трансформатора 7. а фаза сигнала

ЧЧ трансформатора 10 будет противоположна, а в другом случае наоборот.

Так как процесс уравновешивания происходит при подаче сигнала в трансформатор 11, при этом усилитель 32 работает с шунтированием сигнала с фильтра низкой частоты 31 на шину земли, то процесс распознавания разбаланса и уравновешивания его является достаточно быстродействующим и устойчивым.

С целью стабилизации напряжения питания тензорезисторных полумостов напряжением с обмоток В4 трансформаторов 7 и

10 введен второй контур обратной связи, входящий в состав автокомпенсатора. В качестве сигнала обратной связи используется сигнал нормалиэатора напряжения 24, который выпрямляется и подается на дополнительный вход управляемого стабилизатора напряжения 36. Это позволяет при уменьшении амплитуды питания тензорези1783289

25

35 трансформатора, третий конденсатор, шунтирующий первую пару последовательно сое- 40 диненных вторичных обмоток воздушных ненный с задающим генератором импульсов, делитель частоты с парафазными выходами, 45 последовательно соединенный с задающим

55 сторных полумостов из-за обрывов или замыканий в цепях тенэодатчиков пропорционально увеличивать напряжение на выходе стабилизатора 36, что приводит к увеличе. нию амплитуды импульсов питания первичных обмоток Wi трансформаторов 7 и 10.

Аналогичный процесс с обратными значениями сигналов происходит при увеличении амплитуды напряжения питания тензомостов.

Схема устройства построена таким образом, что на вращающейся части нет радиоэлектронных элементов. чувствительных к действию центробежной силы, таких как интегральные микросхемы, операционные усилители, транзисторы и т.д,. что позволяет расширить его функциональные воЗможности эа счет применимости на более высокооборотных объектах, с числом оборотов в десятки тысяч, в то время как известные многоканальные устройства позволяют их использование при числе оборотов на порядок меньше.

Формула изобретения

Измерительное устройство, содержащее два параллельно соединенных тензорезисторных полумоста. первый и второй конденсаторы, каждый из которых соединен со средней точкой соответствующего полуглоста, первый воздушный трансформатор, выполненный с одной первичной и с двумя вторичными обмотками, второй воздушный трансформатор, выполненный с одной первичной и двумя вторичными обмотками, каждая из которых последовательно соединена с соответствующей вторичной обмоткой первого воздушного трансформаторов. Задающий генератор импульсов, стабилизатор напряжения, соедигенератором импульсов, первый и второй

МДП, транзисторы, затвор каждого из которых соединен с соответствующим выходом делителя частоты, а исток заземлен, четвертый и пятый конденсаторы, каждый из которых соединен с соответствующим стоком первого и второго МДП транзистора и заземлен, шестой конденсатор, соединен со стоком первого МДП транзистора и с первичной обмоткой первого воздушного трансформатора, седьмой конденсатор, соединенный со стоком второго МДП транзистора и с первичной обмоткой второго воздушного трансформатооа, первый и второй согласующие транс5

20 форматоры, первичная обмотка каждого иэ которых соединена с соответствующим стоком первого или второго МДП транзистора, фильтр нижних частот, фазовый демодулятор, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты, а выход с входом фильтра нижних частот, нуль-индикатор, выход которого соединен с входом фазового демодулятора, а вход соединен с выходом делителя частоты, входной коммутатор с двумя входами, каждый иэ которых соединен с соответствующим первым или вторым конденсатором, и выходом, соединеннымм с нуль-индика ором, первичные обмотки воздушных трансформаторов соединены последовательно, точка соединения второй пары последовательно сОединенных вторичных обмоток воздушных трансформаторов заземлена, а другие выводы второй пары последовательно соединенных вторичных обмоток воздушных трансформаторов образуют диа гональ питания параллельно включенных тензорезисторных полумостов, а тензорезисторные полумосты, вторичные обмотки воздушных трансформаторов, третий конденсатор и одна из обкладок каждого из первого и второго конденсаторов предназначены для размещения на исследуемом объекте, снабжено ключевым элементом, вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, а управляющий вход соединен с выходом делителя частот, усилителем. мощности, вход которого соединен с выходом ключево о элемента. восьмым конденсатором, соединенным с выходом усилителя мощности. трансформатором уравновешивания первый выход первичной обмотки которого соединен с восьмым конденсатором, а второй вход его первичной обмотки эаземлен, первый выход его вторичной обмотки подключен к общей точке первичных обмоток воздушных трансформаторов, а второй выход его вторичной обмотки заземлен, девятым и десятым конденсато рами, каждый из которых соединен с соответствующим питающим тензорезисторные полумосты выходом вторичной обмотки соответствующего воздушного трансформатора, нормалиэатором напряжения питания тензорезисторных полумостов, каждый иэ двух входов которого соединен с соответствующим десятым или девятым конденсатором, управляемым стабилизатором напряжения питания трансформаторов нагрузки МДП транзисторов, вход которого соединен с выходом нормализатора напряжения питания тензорезисторных полумостов, а выход — к средней точке вторичных обмоток согласующих трансформаторов, блоком подстроечных резисторов компенсации разбаланса тензорезисторных мостов, вход которого соединен с выходом нормалиэато13

1783289

Составитель Н.Парфенов

Техред М.Моргентал Корректор Н.Ревская

Редактор

Заказ 4505 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 ра напряжения питания тензорезисторных полумостов, а суммарный выход подключен к нуль-индикатору, одна иэ обкладок каждого из девятого и десятого конденсаторов предназначена для закрепления на иссле- 5 дуемом объекте, управляющий вход блока подстроечных резисторов компенсации разбаланса тензорезисторных полумостов и выход коммутатора предназначены для подключения к внешним устройствам.