Устройство контроля пространственных перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля пространственных перемещений в труднодоступных местах объектов. Технический результат повышение точности при длительном контроле достигается за счет введения в каждый чувствительный элемент двух экранирующих катушек и магнитопровода, использования конденсатора в качестве вычитающего элемента и коммутации экранирующих катушек с частотой питающего напряжения. 4 ил.

Изобретение относится к средствам электромагнитного контроля неэлектрических величин по сигналам, полученным от взаимодействия объектов контроля сложной формы с электромагнитными полями, например для контроля перемещений по трем ортогональным осям координат в труднодоступных зонах изделий, работающих в скоростных газовых потоках с перепадами температуры.

Известно вихретоковое устройство для контроля изделий с ограниченным доступом к зоне контроля, содержащее вихретоковый преобразователь, блок обработки сигнала преобразователя, блок коррекции и связанный с ним элемент тестирования, с помощью которых при обработке сигнала преобразователя устраняются погрешности измерений из-за нестабильности самого преобразователя [1] Известно устройство электромагнитного контроля, содержащее два параметрических вихретоковых преобразователя, обмотки которых зашунтированы конденсаторами, источник постоянного напряжения, управляемые ключи, генератор импульсов, индикатор постоянного напряжения и потенциометр, включенный между выводами обмоток преобразователей и служащий для балансировки [2] Устройство имеет повышенные надежность и точность контроля за счет использования дифференциальной схемы включения преобразователей.

Однако, если преобразователи выполнены с использованием магнитопровода (введение которого в преобразователь увеличивает чувствительность), то изготовить обе катушки абсолютно идентичными технически невозможно, при этом присутствует начальный небаланс преобразователей. С изменением температуры, старением и прочее оба преобразователя вследствие неидентичности ведут себя по-разному, начальный небаланс (который мог бы быть скомпенсирован при условии его постоянства) начинает изменяться и, как следствие, сигнал на выходе устройства оказывается зависящим от нестабильности преобразователей.

Кроме того, перечисленные устройства позволяют контролировать только однокоординатные перемещения, простое же соединение трех таких устройств для контроля пространственных перемещений привод к возникновению мешающих факторов от взаимного влияния электромагнитных полей преобразователей.

Известно устройство для электромагнитного контроля многокомпонентных перемещений, содержащее источник питания, преобразователь перемещений, включающий три чувствительных элемента, размещенных взаимно ортогонально в пазах корпуса, и схему обработки и регистрации сигналов преобразователя [3] Недостатками данного устройства являются снижение точности контроля при длительных испытаниях изделия из-за температурной и временной нестабильности и, как следствие, необходимость извлечения преобразователя из зоны контроля и удаление от объекта для тестирования.

Задачей изобретения является повышение точности при длительном встроенном контроле в труднодоступных местах. Повышение точности достигается за счет увеличения стабильности.

Для этого устройство контроля пространственных перемещений, содержащее преобразователь перемещений в виде трех идентичных чувствительных элементов, расположенных в пазах на смежных взаимно ортогональных гранях корпуса из электропроводящего немагнитного материала, дополнительно снабжено блоком управления с генератором двуполярных импульсов, конденсатором, тремя ячейками выборки-хранения и десятью управляемыми ключами, каждый чувствительный элемент выполнен в виде измерительной катушки индуктивности, закрепленной на плоском магнитопроводе, двух идентичных плоских восьмеркообразных экранирующих катушек, расположенных по обе стороны магнитопровода, концы каждой экранирующей катушки соединены между собой через управляемый ключ, выход генератора двуполярных импульсов через три управляемых ключа соединен соответственно с первыми выводами измерительных катушек, вторые выводы которых объединены и подключены к параллельно соединенным информационным входам всех ячеек выборки-хранения, одному из выводов конденсатора, другой вывод которого заземлен, и управляемому ключу, включенному параллельно конденсатору, управляющие входы ячеек выборки-хранения и всех управляемых ключей соединены с соответствующими выходами блока управления, корпус преобразователя выполнен полым, а пазы, в которых размещены чувствительные элементы, имеют общую полость.

Наличие в каждом чувствительном элементе двух экранирующих катушек и одной измерительной катушки позволяет совместить высокую чувствительность измерительной катушки с магнитопроводом с высокой стабильностью экранирующих катушек без магнитопровода.

Использование конденсатора в качестве вычитающего элемента и коммутация экранирующих катушек с частотой питающего напряжения придают предлагаемому устройству достоинства как дифференциального преобразователя сигнал на выходе устройства не зависит от нестабильности измерительных катушек, так и достоинства параметрического преобразователя простота и отсутствие начального небаланса неидентичных измерительных катушек, нестабильность которого сказывается на снижении точности контроля.

Реализация принципа "самосравнения" измерительных катушек позволяет добиться большей инвариантности к мешающим факторам, чем при сравнении сигналов с двух разных измерительных катушек в дифференциальной схеме включения.

Самосравнение чувствительных элементов в процессе работы устраняет необходимость в демонтаже и удалении преобразователя из зоны контроля для проведения тестирования.

Коммутация измерительных катушек в цепи их питания от генератора двуполярных импульсов позволяет исключить использование ключевых элементов в цепи выходных сигналов преобразователя перемещений, что увеличивает его помехозащищенность, а значит, и точность.

Передача сигналов с трех измерительных катушек по одному проводу с последующим разделением по входу трех ячеек выборки-хранения позволяет устранить взаимное влияние чувствительных элементов через распределенные индуктивность и емкость соединительных линий между катушками и ячейками выборки-хранения (допускается размещение ячеек выборки-хранения в блоке дальнейшей обработки сигнала на удалении от первичного преобразователя и остальных узлов устройства контроля пространственных перемещений), что также увеличивает точность.

Применение нескольких ячеек выборки-хранения (по числу чувствительных элементов) дает возможность постоянно поддерживать на выходе устройства контроля пространственных перемещений сигналы, пропорциональные компонентам перемещения.

На фиг.1 показана функциональная схема устройства контроля пространственных перемещений; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг. 3 возможный вариант реализации функциональной схемы блока управления; на фиг.4 временные диаграммы, поясняющие работу блока управления.

Устройство контроля пространственных перемещений (фиг.1) содержит три идентичных чувствительных элемента 1-3, блок 4 управления с генератором двуполярных импульсов, конденсатор 5, три ячейки 6-8 выборки-хранения и десять управляемых ключей 9-18. Каждый чувствительный элемент 1-3 выполнен в виде измерительной катушки 19-21 индуктивности, закрепленной на плоском магнитопроводе, и двух идентичных плоских восьмеркообразных экранирующих катушек (22-24, 25-27), расположенных по обе стороны магнитопровода. Концы каждой экранирующей катушки 22-27 соединены между собой через управляемый ключ 12-17. Выход генератора двуполярных импульсов, входящего в состав блока 4 управления, через три управляемых ключа 9-11 соединен соответственно с первыми выводами измерительных катушек 19-21. Вторые выводы измерительных катушек 19-21 объединены и подключены к параллельно соединенным информационным входам всех ячеек 6-8 выборки-хранения, одному из выводов конденсатора 5, другой вывод которого заземлен, и управляемому ключу 18, включенному параллельно конденсатору 5. Управляющие входы ячеек 6-8 выборки-хранения и всех управляемых ключей 9-18 соединены с соответствующими выходами блока 4 управления.

Блок управления 4 выполнен на элементах жесткой логики и содержит (фиг. 3) генератор 28 тактовых импульсов, генератор 29 двуполярных импульсов, два делителя 30 и 31 частоты "на два", делитель 32 частоты "на три", инвертор 33, шесть логических элементов "И-НЕ" 34-39, и семь логических элементов "И" 40-46.

Элементы, входящие в блок управления, являются стандартными и их возможная реализация, а также функционирование описаны в литературе (Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л. Энергоатомиздат, 1988; Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. М. Радио и связь, 1991; Титце У. Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство. М. Мир, 1982; Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. Л. Энергоатомиздат, 1986).

Устройство контроля пространственных перемещений работает следующим образом.

Измерительные катушки 19-21 индуктивности (фиг.1) поочередно питаются симметричными прямоугольными двуполярными импульсами напряжения U1 (фиг.2), вырабатываемыми генератором 29 двуполярных импульсов, входящим в состав блока 4 управления, и подаваемыми через ключи 9-11. Выходные напряжения, пропорциональные пространственным перемещениям, снимаются с ячеек 6-8 выборки-хранения. Замыкание и размыкание экранирующих катушек 22-27, приводящее к наличию или отсутствию экранирования измерительной катушки 19-21 с внутренней или внешней стороны, выполняется ключами 12-17. Синхронизацию работы всех элементов устройства контроля осуществляет блок 4 управления. Весь цикл работы устройства контроля состоит из 12 тактов (фиг.2): Т1-Т4 работает первый чувствительный элемент 1, происходит выделение информации о перемещении объекта контроля по первой ортогональной координате; Т5-Т8 работает второй чувствительный элемент 2, происходит выделение информации о перемещении, объекта контроля по второй ортогональной координате; Т9-Т12 работает третий чувствительный элемент 3, происходит выделение информации о перемещении объекта контроля по третьей ортогональной координате.

Все три группы тактов (Т1-Т4, Т5-Т8 и Т9-Т12) идентичны и состоят из следующих тактов работы (на примере первого чувствительного элемента 1): Т1-Т4 управляющий ключ 9, соединяющий первую измерительную катушку 19 с генератором 29 двуполярных импульсов, замкнут, ключи 10 и 11, соединяющие вторую и третью измерительные катушки с генератором 29 двуполярных импульсов, разомкнуты, т.е. генератор 29 двуполярных импульсов нагружен только на первую измерительную катушку 19.

Т1 внешняя экранирующая катушка 22 первого чувствительного элемента 1 разомкнута (разомкнут ключ 15, замыкающий экранирующую катушку 22), следовательно, присутствие этой катушки 22 не сказывается на работе чувствительного элемента 1, внутренняя экранирующая катушка 25 первого чувствительного элемента 1 замкнута ключом 12 и экранирует измерительную катушку 19 от внутреннего объема корпуса преобразователя. Остальные экранирующие катушки 23, 24, 26 и 27 также замкнуты и дополнительно экранируют первый чувствительный элемент 1 от взаимного влияния чувствительных элементов 1-3 через общий паз (необходимо отметить, что отключение второй 20 и третьей 21 измерительных катушек на время Т1-Т4 от генератора 29 двуполярных импульсов также устраняет их влияние на первый чувствительный элемент 1). Электромагнитное поле первой измерительной катушки 19 оказывается направленным на объект контроля и индуктивность первой измерительной катушки 19 зависит от расстояния до объекта контроля (информационный параметр) и внутреннего состояния самой измерительной катушки 19 (температура, добротность, магнитная проницаемость магнитопровода и т. д.) мешающих факторов. Происходит заряд конденсатора 5 положительным импульсом напряжения U1 от генератора 29 двуполярных импульсов через первую измерительную катушку 19. Скорость заряда зависит от индуктивности измерительной катушки 19, а следовательно, и от расстояния до объекта контроля.

Частота U1 выбирается из таких соображений, чтобы ни при каких значениях контролируемого зазора напряжение на конденсаторе 5 не достигало величины U1 (это условие равенства длительности такта постоянной времени цепи: генератор 29 двуполярных импульсов, измерительная индуктивность 19, конденсатор 5).

Таким образом, напряжение на конденсаторе 5 в такте Т1 будет содержать информацию о контролируемом зазоре и о состоянии измерительной катушки 19.

Т2 внутренняя экранирующая катушка 25 первого чувствительного элемента 1 разомкнута, внешняя экранирующая катушка 22 замкнута, все остальные экранирующие катушки 23, 24, 26 и 27 также замкнуты и продолжают осуществлять дополнительное экранирование. В результате, поле первой измерительной катушки 19 оказывается направленным внутрь полости корпуса катушек 20 и 21 экранирующими катушками 26 и 27, относящимися к этим чувствительным элементам 2 и 3. Индуктивность первой измерительной катушки 19 определяется постоянным расстоянием до внутренних стенок корпуса преобразователя и внутренним состоянием измерительной катушки (температура, добротность, магнитная проницаемость магнитопровода и т.д.). Происходит разряд конденсатора 5 отрицательным импульсом напряжения U2 от генератора 29 двуполярных импульсов через первую измерительную катушку 19. Скорость разряда зависит от индуктивности первой измерительной катушки 19 и определяется постоянным расстоянием до внутренних стенок корпуса преобразователя и зависит в основном от состояния самой измерительной катушки 19.

Т3 все управляемые ключи 9-11, подключающие измерительные катушки 19-21 к генератору 29 двуполярных импульсов, разомкнуты, т.е. цепь: конденсатор 5, измерительная катушка 19-21, блок 4 управления разомкнута, напряжение на конденсаторе 5 постоянно, равно разнице напряжения заряда в Т1 и напряжения разряда в Т2 и не зависит от внутреннего состояния измерительной катушки 19, а содержит только полезную информацию о контролируемом зазоре по одной из координат. На 12 выходе блока 4 управления появляется управляющий импульс U12, разрешающий ячейке 6 выборки-хранения произвести выборку напряжения на конденсаторе 5, пропорционального контролируемому зазору.

Т4 замыкается ключ 18, шунтирующий конденсатор 5, напряжение на конденсаторе 5 обнуляется, конденсатор 5 готов к работе со следующим чувствительным элементом 2. Обнуление напряжения приводит к равным начальным условиям заряда конденсатора 5.

Предлагаемое изобретение может быть использовано для контроля пространственных перемещений изделий авиационной техники, работающих в скоростных газовых потоках с перепадами температуры.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее преобразователь перемещений в виде трех идентичных чувствительных элементов, расположенных в пазах на смежных взаимоортогональных гранях корпуса из электропроводящего немагнитного материала, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено блоком управления с генератором двуполярных импульсов, конденсатором, тремя ячейками выборки-хранения и десятью управляемыми ключами, каждый чувствительный элемент выполнен в виде измерительной катушки индуктивности, закрепленной на плоском магнитопроводе, двух идентичных плоских восьмеркообразных экранирующих катушек, расположенных по обе стороны магнитопровода, концы каждой экранирующей катушки соединены между собой через управляемый ключ, выход двуполярных импульсов через три управляемых ключа соединен соответственно с первыми выводами измерительных катушек, вторые выводы которых объединены и подключены к параллельно соединенным информационным входам всех ячеек выборки-хранения, одному из выводов конденсатора, другой вывод которого заземлен, и управляемому ключу, включенному параллельно конденсатору, управляющие входы ячеек выборки-хранения и всех управляемых ключей соединены с соответствующими выходами блока управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4