CS265463B1

CS265463B1 - Connection of differential inductive sensor of non-electrical quantities with digital output

Info

Publication number: CS265463B1
Application number: CS863282A
Authority: CS
Inventors: Frantisek Ing Klein; Leos Ing Csc Vaclavik; Stanislav Ing Kirchner
Original assignee: Klein Frantisek; Vaclavik Leos; Kirchner Stanislav
Priority date: 1986-05-06
Filing date: 1986-05-06
Publication date: 1989-10-13
Also published as: CS328286A1

Abstract

Řešení se týká oboru měření neelektric kých, zejména mechanických veličin a řeší zapojení diferenciálního indukčnostního snímače neelektrických veličin s číslicovým výstupem. Podstata řešení je v tom, že diferenciální indukčnostní snímač je spojen s oscilátorem jednak přímo a jednak přes přepínač jednotlivých větví snímače. Oscilátor je připojen k řídicímu, vyhodnocovacímu a indikačnímu bloku, který je dále spojen s přepínačem. Zapojení podle řešení lze využít v měřicí, regulační a automatizační technice.The solution concerns the field of measurement of non-electrical, especially mechanical, quantities and solves the connection of a differential inductance sensor of non-electrical quantities with a digital output. The essence of the solution is that the differential inductance sensor is connected to the oscillator both directly and through a switch of the individual branches of the sensor. The oscillator is connected to the control, evaluation and indication block, which is further connected to the switch. The connection according to the solution can be used in measurement, regulation and automation technology.

Description

Vynález spadá do oboru měření neelektrických, zejména mechanických veličin a řeší zapojení diferenciálního indukčnostního snímače neelektrických veličin s číslicovým výstupem, určené zejména pro zařízení s mikropočítači.The present invention is in the field of non-electrical, in particular mechanical quantities, and relates to the connection of a differential inductive sensor of non-electrical quantities with a digital output, intended especially for devices with microcomputers.

Pro měření neelektrických veličin, zejména mechanických, se často používá diferenciálních indukčnostních snímačů, tvořených dvěma cívkami se společným pohyblivým jádrem. Změna měřené veličiny se převede na změnu polohy jádra snímače a vyvolá změnu indukčností obou větví snímače. Dosud známá zapojeni diferenciálního indukčnostního snímače s číslicovým výstupem využívají zapojení obou větví snímače do střídavého mostu, napájeného sinusovým oscilátorem. Výstupní napětí mostu se po zesílení střídavým zesilovačem usměrní fázově citlivým usměrňovačem. Po nezbytné filtraci se takto získané stejnosměrné napětí, přibližně úměrné měřené veličině, převede do číslicového tvaru analogově-číslicovým převodníkem. Nevýhodou těchto známých zapojení je jejich značná složitost, daná extrémními požadavky na všechny prvky zapojení. Požadavky jsou kladeny zejména na malé zkreslení, amplitudovou a fázovou stabilitu oscilátoru, amplitudově-fázovou přenosovou charakteristiku střídavého zesilovače, linearitu fázově citlivého usměrňovače a přesnost použitého analogově-číslicového převodníku. Uvedené požadavky jsou umocněny ještě požadavkem na jejich časovou a teplotní stabilitu. Ze složitosti těchto zapojení vyplývají i vysoké materiálové náklady a zejména vysoká pracnost při výrobě a oživení, daná nutnosti přesného nastavení všech obvodů zapojení. Výsledné vlastnosti těchto známých zapojení jsou principiálně omezeny jednak vznikem harmonického zkreslení výstupního napětí mostu, daného vlastnostmi jádra snímače, jednak použitým matematickým modelem, u něhož se předpokládá, že relativní změna rozdílu indukčností obou větvi snímače je přímo úměrná posunutí jádra snímače a konečně známými nelineárními vlastnostmi nevyváženého mostového zapojení. Nelze opomenout též značnou náchylnost těchto známých zapojeni k rušivým signálům, majícím původ jak ve vlastním zapojení (šum elektronických součástek), tak k rušivým signálům pronikajícím do zapojení z vnějšího okolí po napájecích vodičích a elektromagnetickou indukcí, což v praxi znamená snížení dynamického rozsahu měřené veličiny na maximálně osmdesát decibelů.Differential inductive sensors consisting of two coils with a common moving core are often used for the measurement of non-electric quantities, especially mechanical ones. The change of the measured value is converted into a change in the position of the sensor core and causes a change in the inductance of both sensor branches. The prior art differential inductive encoder wiring with digital output utilizes the wiring of both sensor branches to an AC bridge powered by a sinusoidal oscillator. The bridge output voltage is rectified by a phase sensitive rectifier after amplification by an AC amplifier. After the necessary filtration, the thus obtained DC voltage, approximately proportional to the measured quantity, is converted into a digital form by an analog-to-digital converter. The disadvantage of these known wiring is their considerable complexity, due to the extreme requirements of all wiring elements. Requirements are mainly focused on low distortion, amplitude and phase stability of the oscillator, amplitude-phase transmission characteristic of AC amplifier, linearity of phase sensitive rectifier and accuracy of used analog-to-digital converter. These requirements are compounded by the requirement for their time and temperature stability. The complexity of these circuits also results in high material costs and, in particular, high labor in production and recovery, due to the necessity of precise adjustment of all circuit circuits. The resulting properties of these known connections are principally limited by the harmonic distortion of the bridge output voltage given by the properties of the sensor core and the mathematical model used, which assumes that the relative variation in the inductance difference between the two sensor branches is proportional to the displacement of the sensor core and finally known nonlinear properties unbalanced bridge connections. Not to mention the susceptibility of these known connections to disturbance signals originating both in the circuit itself (noise of electronic components) and disturbance signals penetrating into the wiring from the outside by power wires and electromagnetic induction, which in practice means reducing the dynamic range of the measured quantity to a maximum of eighty decibels.

Výše uvedené nedostatky dosavadních zapojení jsou do značné míry odstraněny zapojením diferenciálního indukčnostního snímače neelektrických veličin s číslicovým výstupem podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že společný vývod diferenciálního indukčnostního snímače je připojen k první svorce oscilátoru, přičemž první vývod diferenciálního indukčnostního snímače je připojen k prvnímu vstupu přepínače a druhý vývod diferenciálního indukčnostního snímače je připojen ke druhému vstupu přepínače. Výstup přepínače je připojen ke druhé svorce oscilátoru, který je svým výstupem připojen ke vstupu řídicího, vyhodnocovacího a indikačního bloku, jehož výstup je spojen s řídicím vstupem přepínače.The above-mentioned drawbacks of the prior art are largely eliminated by connecting a differential inductive sensor of non-electric quantities with a digital output according to the invention, which is characterized in that the common terminal of the differential inductive sensor is connected to the first terminal of the oscillator. the first input of the switch and the second terminal of the differential inductive sensor are connected to the second input of the switch. The output of the switch is connected to the second terminal of the oscillator, which is connected to the input of the control, evaluation and indication block, the output of which is connected to the control input of the switch.

Zapojení podle vynálezu má tyto výhody:The circuit according to the invention has the following advantages:

- je velmi jednoduché a nevyžaduje zvláštní pozornost při výrobě a nastavování, nejsou použity přesné a drahé analogové prvky,- it is very simple and does not require special attention during manufacture and adjustment, no precise and expensive analogue elements are used,

- zapojení je zvlášt vhodné pro připojení k mikropočítači.- the wiring is particularly suitable for connection to a microcomputer.

- přímý převod měřené veličiny na délku intervalu kmitů oscilátoru způsobuje minimální citlivost na rušivé vlivy a umožňuje zpracovat dynamický rozsah měřené veličiny až sto decibelů,- direct conversion of the measured quantity to the oscillator's vibration interval length causes minimal interference sensitivity and allows the dynamic range of the measured quantity to be processed up to 100 decibels,

- vykazuje výbornou linearitu převodní charakteristiky, vyplývající z vhodné volby jejího matematického modelu, s možností dalšího zlepšení vhodnou aproximací.- exhibits excellent linearity of the transfer characteristic resulting from the appropriate choice of its mathematical model, with the possibility of further improvement by appropriate approximation.

- má výbornou teplotní a dlouhodobou stabilitu převodní charakteristiky zapojení,- has excellent thermal and long-term stability of the transfer characteristics of the wiring,

- umožňuje snadnou realizaci vícekanálového měření.- enables easy multi-channel measurement.

Přiklad zapojení diferenciálního indukčnostního snímače neelektrických veličin s číslicovým výstupem podle vynálezu je znázorněn na přiloženém výkrese, který představuje blokové schéma zapojení.An example of a wiring of a differential inductive sensor of non-electric quantities with a digital output according to the invention is shown in the attached drawing, which represents a block diagram.

Společný vývod diferenciálního indukčnostního snímače 1_ je spojen s první svorkou 12 oscilátoru 2· První vývod 6 diferenciálního indukčnostního snímače 2 je připojen k prvnímu vstupu 2 přepínače 2 a obdobně druhý vývod 7 diferenciálního indukčnostního snímače i je spojen s druhým vstupem 2 přepínače 2· Výstup 11 tohoto přepínače 2 je připojen k druhé svorce 13 oscilátoru 2· Výstup 14 tohoto oscilátoru 2 j® spojen se vstupem 15 řídicího, vyhodnocovacího a indikačního bloku 2, jehož výstup 16 je propojen s řídicím vstupem 10 přepínače 2- Řídicí, vyhodnocovací a indikační blok 4 lze pomoci mikroprocesorových obvodů realizovat například pomocí dvou pouzder LSI MOS obvodů a jednoho pouzdra LSTTL.The common terminal of the differential inductive sensor 1 is connected to the first terminal 12 of the oscillator 2. The first terminal 6 of the differential inductive sensor 2 is connected to the first input 2 of the switch 2 and similarly the second terminal 7 of the differential inductive sensor 1 is connected to the second input 2 of the switch 2. The output 14 of this oscillator 2 is connected to the input 15 of the control, evaluation and indication block 2, whose output 16 is connected to the control input 10 of the switch 2- The control, evaluation and indication block 4 For example, two LSI MOS circuits and one LSTTL can be implemented using microprocessor circuits.

Řídicí, vyhodnocovací a indikační blok 4_ pomocí přepínače 2 připojuje jednotlivé větve diferenciálního indukčnostního snímače 2 k oscilátoru 2· Indukčnost L přepínačem 2 právě připojené větve diferenciálního indukčnostního snímače 2 tvoří součást laděného obvodu oscilátoru 2 ^a P^r° délku periody T kmitů oscilátoru 2 platí známý vztahControl, evaluation and display unit 4 via the switch 2 connects the various branches of the differential indukčnostního sensor 2 to the oscillator 2 · inductance L of the switch 2 being connected branch differential indukčnostního sensor 2 forms part of a tuned circuit of the oscillator 2 ^and P ^r ° length of the period T of oscillations of the oscillator 2 are known relationship

29Γ29Γ

ITlc (1) kde C je kapacita, tvořící s indukčnosti L jedné větve snímače 2 laděný obvod. Platí-li s připojenou první větví snímače 2 Pto délku periody kmitů oscilátoru 2 vztah (2) kde L^ je indukčnost první větve snímače 2< platí i s připojenou druhou větví snímače 2 pro délku periody T? kmitů oscilátoru 2 vztahITlc (1) where C is the capacity, forming with the inductance L of one branch of the sensor 2 a tuned circuit. If with the connected first sensor branch 2 Pto the oscillator 2 oscillation period length is the relation (2) where L ^ is the inductance of the first sensor branch 2 <also applies with the connected second sensor branch 2 for the period length T? oscillator oscillation 2 relation

T₂ = 29tFl^c” (3) kde L₂ je indukčnost druhé větve snímače 2·T ₂ = 29tFl ^ c ”(3) where L ₂ is the inductance of the second sensor branch 2 ·

Pro vztah mezi měřenou veličinou y a indukčnostmi L^ a L₂ větví snímače 2 lze psát vztah y = f (g(L₁,L₂)) (4)For the relationship between the measured quantity y and the inductances L ^ and L ₂ of the sensor 2, the relation y = f (g (L ₁ , L ₂ )) can be written (4)

Jako jednu z vhodných aproximací funkce g(L₂,L₂> lze použít funkci (5) g(L₁₍L₂)One of the suitable approximations of the function g (L ₂ , L ₂ > can be the function (5) g (L _{1 (} L ₂ )

Přepína-li přepínač 2 jednotlivé větve snímače 2 dostatečně rychle vzhledem k požadovaným dynamickým vlastnostem, lze dosazením vztahů (2) a (3) do vztahu (5) psát (6) přičemž je zřejmé, že hodnota této funkce nebude záviset na změnách délek period , T₂ kmitů oscilátoru 3, vyvolaných teplotní nebo dlouhodobou časovou nestabilitou oscilátoru 2» tedy všechny nestability, s výjimkou nestabilit snímače 2» jsou vykompenzovány.If the switch 2 switches the individual branches of the sensor 2 fast enough with respect to the required dynamic properties, by substituting (2) and (3) into (5) it is possible to write (6) and it is clear that the value of this function will not , T ₂ of oscillator 3 oscillations caused by temperature or long-term instability of oscillator 2 »thus all instabilities except for sensor 2 instabilities are compensated.

Výraz (4) pak lze s použitím vztahu (6) psát jako ^T2 - ^Ti y = f (=/-· -/) (7) ^X1 + i₂ The expression (4) can then be written using ^T (6) as ^T 2 - ^T iy = f (= / - · - /) (7) ^X 1 + i ₂

Lze si ověřit, že již lineární aproximace této funkce vede k linearitě převodní charakteristiky zapojení lepší, než při zapojení stejného snímače ve známých zapojeních se střídavým mostem, přičemž linearitu lze dále zlepšit aproximací funkce (7) například polynomem.It can be verified that a linear approximation of this function already results in a linearity of the transfer characteristic of the circuit better than when the same sensor is connected in the known alternating-bridge circuits, and the linearity can be further improved by approximating the function (7), for example.

Rížení přepínače 2» měření period a T₂ kmitů oscilátoru 3, výpočet měřené veličiny y a její zobrazení nebo další zpracování zajištuje řídicí, vyhodnocovací a indikační blok 4_. Pro zvýšení rozlišení při současných menších nárocích na rychlost měření lze délky period Τ_χ, T₂kmitů oscilátoru 3 zaměnit dobami trvání Τ_χ', T₂' vhodného stejného počtu po sobě následujících kmitů oscilátoru 3.The control, evaluation and indication block 4 provides control of the switch 2 »measuring the periods and T ₂ of the oscillator 3, calculating the measured quantity y and displaying it or further processing it. In order to increase the resolution with the simultaneous lower demands on the measurement speed, the lengths of the periods Τ _χ , T ₂ of oscillator 3 oscillations can be interchanged with durations Τ _χ ', T ₂ ' of the same number of consecutive oscillator 3 oscillations.

Zapojení diferenciálního indukčnostniho snímače neelektrických veličin s číslicovým výstupem podle vynálezu lze využít v měřicí, regulační a automatizační technice.The connection of a differential inductive sensor of non-electric quantities with digital output according to the invention can be used in measuring, control and automation technology.

Claims

object of the invention

Connection of differential inductive sensor of non-electric quantities with digital output, characterized in that the common terminal (5) of the differential inductive sensor (1) is connected to the first terminal (12) of the oscillator (3), the first terminal (6) of the differential inductive sensor (1) is connected to the first input (8) of the switch (2) and the second terminal (7) of the differential inductive sensor (1) is connected to the second input (9) of the switch (2) whose output (11) is connected to the second terminal (13) the oscillator (3), which is connected to the input (15) of the control, evaluation and indication block (4), whose output (16) is connected to the control input (10) of the switch (2).