RU2208762C1 - Amplitude-phase differential-transformer displacement sensor with phase output - Google Patents
Amplitude-phase differential-transformer displacement sensor with phase output Download PDFInfo
- Publication number
- RU2208762C1 RU2208762C1 RU2001132924A RU2001132924A RU2208762C1 RU 2208762 C1 RU2208762 C1 RU 2208762C1 RU 2001132924 A RU2001132924 A RU 2001132924A RU 2001132924 A RU2001132924 A RU 2001132924A RU 2208762 C1 RU2208762 C1 RU 2208762C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- phase
- input
- output
- adder
- working
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений объектов. The invention relates to instrumentation and can be used to measure the movements of objects.
Известно устройство [1] перемещение-фаза, содержащее источник переменного напряжения, преобразователь, масштабирующий контур в виде последовательно включенных фазовращателя и масштабирующего звена, сумматор и фазометр. A device [1] is known for moving-phase, containing an alternating voltage source, a converter, a scaling circuit in the form of a phase shifter and a scaling link connected in series, an adder and a phase meter.
Недостатком указанного устройства является низкая точность преобразования, обусловленная малой величиной приращения фазы суммарного сигнала на единицу перемещения, так как изменение амплитуды происходит только вследствие изменения одного из геометрически суммируемых сигналов. The disadvantage of this device is the low accuracy of the conversion, due to the small increment of the phase of the total signal per unit of displacement, since the change in amplitude occurs only due to a change in one of the geometrically summed signals.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является трансформаторный датчик перемещений с фазовым выходом [2], содержащий: ферромагнитный сердечник Ж-образного сечения, якорь, выполненный из ферромагнитного материала и связываемый в процессе измерений с контролируемым объектом, симметрирующую пластину, выполненную из ферромагнитного материала, две секции обмотки возбуждения и две секции измерительной обмотки, резистор, избирательный усилитель, фазометр. Closest to the proposed technical essence is a transformer displacement transducer with a phase output [2], comprising: a ferromagnetic core of the L-shaped cross section, an armature made of ferromagnetic material and connected during the measurement with a controlled object, symmetrical plate made of ferromagnetic material, two sections of the field winding and two sections of the measuring winding, resistor, selective amplifier, phase meter.
Недостатком известных вышеприведенных датчиков является малый диапазон измерения, т. к. при использовании в этих датчиках ферромагнитного якоря и ферромагнитной замыкающей пластины модуляции выходных напряжений по амплитуде осуществляются вследствие изменения взаимно-индуктивной связи между обмотками возбуждения и измерительными обмотками при перемещении якоря от датчика на незначительное расстояние, не превышающее 0,2 диаметра датчика [3]. The disadvantage of the above sensors is the small measurement range, because when using a ferromagnetic armature and a ferromagnetic closing plate in these sensors, the amplitude modulation of the output voltages is carried out due to a change in the mutual-inductive coupling between the field windings and the measurement windings when the armature is moved from the sensor by a small distance not exceeding 0.2 diameter of the sensor [3].
Предлагаемая конструкция датчика позволит значительно расширить в сторону увеличения диапазон измерения перемещений. Согласно предлагаемой конструкции расширение диапазона измерения достигается за счет того, что в него введены дополнительный контур, состоящий из фазосдвигающей цепи и масштабирующего звена, сумматор, причем электропроводящий якорь и замыкающая пластина, размещенные по торцам Ж-образного сердечника рабочей и компенсационной обмоток, выполнены из диамагнитного материала для обеспечения модуляции выходных напряжений по амплитуде за счет токовихревого эффекта. При этом секции обмотки возбуждения подключены к источнику переменного напряжения, сигнальный вывод рабочей секции измерительной обмотки соединен с первым входом сумматора, сигнальный вывод компенсационной секции измерительной обмотки соединен с первым входом фазометра и через дополнительный контур со вторым входом сумматора, при этом выход сумматора соединен со вторым входом фазометра. The proposed sensor design will significantly expand upward the range of measurement of displacements. According to the proposed design, the expansion of the measuring range is achieved due to the fact that an additional circuit consisting of a phase-shifting circuit and a scaling link, an adder, and the electrically conductive armature and the closing plate located at the ends of the L-shaped core of the working and compensation windings, are made of diamagnetic material to provide modulation of the output voltage in amplitude due to the eddy current effect. The sections of the field winding are connected to an AC voltage source, the signal output of the working section of the measuring winding is connected to the first input of the adder, the signal output of the compensation section of the measuring winding is connected to the first input of the phase meter and through an additional circuit to the second input of the adder, while the output of the adder is connected to the second phasometer input.
Амплитудно-фазовый трансформаторный датчик перемещений с фазовым выходом (фиг. 1) содержит: 1 - источник переменного напряжения, 2 - рабочий и 3 - компенсационный трансформаторы с разомкнутыми магнитопроводами; 4 - рабочий якорь, связываемый в процессе измерения с контролируемым объектом и 5 - замыкающую пластину, размещенные у открытых торцов трансформаторов и выполненные из диамагнитного, обладающего большой электропроводностью материала; 6 - дополнительный контур, выполненный в виде последовательно включенных 7 - фазоодвигающей цепи и 8 - масштабирующего звена, 9 - сумматор, 10 - фазометр. The amplitude-phase transformer displacement transducer with phase output (Fig. 1) contains: 1 - an alternating voltage source, 2 - a working one and 3 - compensation transformers with open magnetic circuits; 4 - working anchor, connected during the measurement with the controlled object and 5 - the closing plate, placed at the open ends of the transformers and made of diamagnetic, having a large electrical conductivity of the material; 6 - an additional circuit, made in the form of series-connected 7 - phase-shifting circuit and 8 - scaling link, 9 - adder, 10 - phase meter.
На центральном стержне Ж-образного ферромагнитного сердечника рабочего и компенсационного трансформаторов размещены секции W1p и W1к-обмотки возбуждения, секции W2p и W2к-измерительной обмотки.On the central rod of the L-shaped ferromagnetic core of the working and compensation transformers, sections W 1p and W 1k for the field winding, sections W 2p and W 2k for the measuring coil are placed.
Секции W1p и W1к электрически соединены между собой последовательно согласно и подключены к выходу источника 1 переменного напряжения, сигнальный вывод рабочей секции измерительной обмотки подключен к первому входу сумматора 9, а сигнальный вывод компенсационной секции измерительной обмотки подключен к первому входу фазометра 10 и через дополнительный контур ко второму входу сумматора 9, выход сумматора подключен ко второму входу фазометра 10.The sections W 1p and W 1k are electrically interconnected in series according to and connected to the output of the
Амплитудно-фазовый трансформаторный датчик перемещений с фазовым выходом работает следующим образом. Amplitude-phase transformer displacement sensor with phase output works as follows.
При подаче синусоидального напряжения Un~ с выхода источника 1 питания, имеющего малое внутреннее сопротивление, на рабочую W1p и компенсационную W1к секции обмотки возбуждения в секциях W2р и W2к измерительных обмоток возбуждаются напряжения Up(х) и Uк(х).When a sinusoidal voltage U n ~ is supplied from the output of a
При перемещении контролируемого объекта и связанного с ним рабочего якоря 4 в направлении увеличения зазора Х (на фиг.1 показано стрелкой) в диамагнитном электропроводящем якоре 4 наводятся изменяющиеся по величине вихревые токи, создающие магнитное поле, направленное встречно магнитному полю, создаваемому током, протекающим по обмотке возбуждения рабочего трансформатора 2. When moving the controlled object and the associated working
В результате взаимодействия двух магнитных полей возбуждающее магнитное поле рабочего 2 трансформатора увеличивается, т.к. действие встречно направленного магнитного поля, создаваемого вихревыми токами, становится меньше с увеличением измеряемого перемещения и вследствие этого увеличивается возбуждаемое напряжение Up(x) в секции W2p измерительной обмотки рабочего трансформатора, а напряжение Uк(х) в секции W2к измерительной обмотки компенсационного трансформатора уменьшается за счет перераспределения напряжений на секциях W1p и W1к обмотки возбуждения, запитываемых от источника напряжения, имеющего малое внутреннее сопротивление.As a result of the interaction of two magnetic fields, the exciting magnetic field of the working
Напряжения Up(x) и Uк(х) связанны с перемещением Х зависимостью, близкой к экспоненциальной:
U(x) = U0•e±αx, (1)
где U0 - напряжение с сигнального вывода рабочей секции W2p измерительной обмотки или с сигнального вывода компенсационной секции измерительной обмотки при Х = 0 мм;
α- показатель степени экспоненциальной функции (берется со знаком "+" для возрастающей функции и со знаком "-" для убывающей функции).The stresses U p (x) and U к (х) are connected with the movement of X by a dependence close to exponential:
U (x) = U 0 • e ± αx , (1)
where U 0 is the voltage from the signal output of the working section W 2p of the measuring winding or from the signal output of the compensation section of the measuring winding at X = 0 mm;
α is the exponent of the exponential function (taken with the “+” sign for the increasing function and with the “-” sign for the decreasing function).
С помощью фазовращающей цепи 7 между синусоидальными напряжениями Up(x) и Uк(х) устанавливают угол сдвига фаз Ψ0 больше 90o, но меньше 180o. Напряжения Up(x) и U'к(х) геометрически суммируют на сумматоре 9, а результирующие (суммарное) напряжение UΣ(x) и напряжение Uк(х) поступают на входы фазометра 10, с выхода которого снимается зависимость фазы выходного результирующего UΣ(x) от перемещения, т.е. фаза φвых = f(x) вектора результирующего напряжения UΣ(x) изменяется при этом от значения φ2 до значения φ1 (фиг.2).Using the phase-shifting circuit 7 between sinusoidal voltages U p (x) and U to (x) set the phase angle фаз 0 greater than 90 o , but less than 180 o . The voltages U p (x) and U ' k (x) are geometrically summed on the adder 9, and the resulting (total) voltage U Σ (x) and voltage U k (x) are supplied to the inputs of the phase meter 10, from the output of which the phase dependence of the output resulting U Σ (x) from displacement, i.e. the phase φ out = f (x) of the vector of the resulting voltage U Σ (x) changes from the value of φ 2 to the value of φ 1 (figure 2).
Функция преобразования датчика определяется следующим выражением:
где φвых - фаза результирующего сигнала UΣ(x) относительно вектора напряжения Uк(х);
ψ0 - угол сдвига фаз между векторами напряжений Up(x) и Uк(х), устанавливаемый с помощью фазосдвигающей цепи 7.The sensor conversion function is defined by the following expression:
where φ o is the phase of the resulting signal U Σ (x) relative to the voltage vector U k (x) ;
ψ 0 - phase angle between the stress vectors U p (x) and U to (x) , set using the phase-shifting circuit 7.
Для получения оптимальной линейности выходной характеристики датчика устанавливают необходимый угол сдвига фаз ψ0 между напряжениями Up(x) и Uк(х) c помощью фазосдвигающей цепи 7 и амплитуду сигнала Uк(х) изменяют с помощью масштабирующего звена 8 до величины U'к(х), при которой отношение Up(x)/Uk(х) в конечной точке диапазона измерения принимает значение, близкое к 1, а по мере приближения объекта контроля и связанного с ним рабочего якоря 4 к начальной точке диапазона измерения это отношение должно уменьшаться.To obtain optimal linearity of the output characteristic of the sensor, the required phase angle ψ 0 is set between the voltages U p (x) and U к (x) using the phase-shifting circuit 7 and the signal amplitude U к (x) is changed using the scaling link 8 to the value U ' k (x) at which the ratio U p (x) / U k (x) at the end point of the measuring range takes a value close to 1, and as the control object and the associated
Таким образом, при изменении модулированных напряжений Up(x) и Uк(х) на секциях измерительных обмоток в функции перемещения Х изменяется и фаза выходного результирующего напряжения UΣ(x) на величину |φ1-φ2|.Thus, when the modulated voltages U p (x) and U k (x) change on the sections of the measuring windings in the displacement function X, the phase of the output voltage U Σ (x) also changes by | φ 1 -φ 2 |.
На векторной диаграмме выходных напряжений датчика (фиг.2) индексом "К" обозначены напряжения, соответствующие максимальному значению измеряемого перемещения Xmax, а индексом "Н" - напряжения, соответствующие минимальному значению перемещения Xmin.In the vector diagram of the sensor output voltages (FIG. 2), the index “K” denotes the voltage corresponding to the maximum value of the measured displacement X max , and the index “H” denotes the voltage corresponding to the minimum value of the displacement X min .
Расширение диапазона измерения датчика достигается за счет повышения чувствительности преобразования в конце диапазона измерения вследствие того, что модуляция по амплитуде выходных напряжений Up(x) и Uк(х) осуществляется за счет использования токовихревого эффекта, создаваемого диамагнитными токопроводящими якорями 4 и 5, изготовленными из материала с магнитной проницаемостью, равной 1, и обладающего высокой электропроводностью (медь, алюминий и т.п.).The extension of the measuring range of the sensor is achieved by increasing the conversion sensitivity at the end of the measuring range due to the fact that the amplitude modulation of the output voltages U p (x) and U к (x) is carried out by using the eddy current effect created by the diamagnetic
Модуляция выходных напряжений Up(x) и Uк(х) по амплитуде в функции перемещения за счет использования токовихревого эффекта осуществляется в результате взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения трансформатора с открытым торцом и магнитного поля, создаваемого вихревыми токами в электропроводящем якоре при его перемещении на расстояние от 0 до значения, достигающего величины (0,5÷0,6) от наружного диаметра датчика, что в соответствии с выражением (2) и обуславливает изменение фазы результирующего сигнала в функции перемещения φвых =f(x) в диапазоне измерения от 0 до (0,5÷0,6)D, где D наружный диаметр датчика.The modulation of the output voltages U p (x) and U k (x) in amplitude in the displacement function due to the use of the eddy current effect is carried out as a result of the interaction of the magnetic field generated by the excitation winding of the transformer with an open end and the magnetic field created by eddy currents in an electrically conductive armature when it moving a distance from 0 to a value reaching a value (0.5 ÷ 0.6) from the outer diameter of the sensor, which, in accordance with expression (2), determines the phase change of the resulting signal as a function of room φ out = f (x) in the measuring range from 0 to (0.5 ÷ 0.6) D, where D is the outer diameter of the sensor.
В датчике-прототипе модуляция выходных напряжений по амплитуде осуществляется за счет изменения взаимно индуктивной связи между обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой трансформатора с открытым торцом вследствие перемещения ферромагнитного якоря, связанного с объектом контроля, на максимальное расстояние, не превышающее значения (0,15÷0,3) от наружного диаметра датчика. Это обусловлено тем, что в датчике-прототипе модуляция выходных напряжений обусловлена двумя явлениями: изменением взаимно индуктивной связи за счет магнитных свойств перемещаемого ферромагнитного якоря (μ много больше 1) и токофихревого эффекта (ферромагнитный якорь обладает электропроводностью), оказывающего противодействия ("паразитное" действие) на изменение амплитуды выходных напряжений, т.е. если при приближении к датчику ферромагнитного якоря за счет первого явления выходное напряжение Up(x) возрастает, то за счет второго явления Up(x) уменьшается.In the prototype sensor, the amplitude modulation of the output voltage is carried out by changing the mutually inductive coupling between the field winding and the measuring winding of the transformer with an open end due to the movement of the ferromagnetic armature associated with the control object by a maximum distance not exceeding the value (0.15 ÷ 0, 3) from the outer diameter of the sensor. This is due to the fact that in the prototype sensor, the modulation of the output voltages is caused by two phenomena: a change in the mutually inductive coupling due to the magnetic properties of the moving ferromagnetic armature (μ is much greater than 1) and the current-curling effect (the ferromagnetic armature has electrical conductivity), which counteracts ("parasitic" action ) to change the amplitude of the output voltages, i.e. if when approaching the ferromagnetic armature sensor due to the first phenomenon, the output voltage U p (x) increases, then due to the second phenomenon U p (x) decreases.
Таким образом, использование предлагаемого амплитудно-фазового трансформаторного датчика перемещений с фазовым выходом позволит повысить чувствительность преобразования в конце диапазона измерения за счет использования токовихревого эффекта для модуляции по амплитуде геометрически суммируемых напряжений Up(x) и Uк(х) на расстоянии, в 2 раза большем, чем в датчике-прототипе, а следовательно, и расширить в 2 раза диапазон измерения, а также увеличить в 2 раза отношение Xg/D (где Xg - диапазон измерения; D - наружный диаметр датчика), т.е. и уменьшить габаритные размеры датчика.Thus, the use of the proposed amplitude-phase transformer displacement transducer with phase output will increase the conversion sensitivity at the end of the measurement range by using the eddy current effect to modulate the geometrically summed voltages U p (x) and U к (x) in amplitude by 2 times larger than in the prototype sensor, and therefore expand the
Источники информации
1. SU, патент 1260664, G 01 B 7/00, 30.09.1986. Бюл. 36.Sources of information
1. SU, patent 1260664, G 01 B 7/00, 09/30/1986. Bull. 36.
2. SU, патент 1627820, G 01 B 7/00, 15.02.1991. Бюл. 6. 2. SU, patent 1627820, G 01 B 7/00, 02.15.1991. Bull. 6.
3. В. И. Середенин "Измерительные приборы с высокотемпературными трансформаторными датчиками перемещения". Энергия. Л. 1968.2 3. V. I. Seredenin "Measuring instruments with high-temperature transformer displacement sensors". Energy. L. 1968.2
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001132924A RU2208762C1 (en) | 2001-12-03 | 2001-12-03 | Amplitude-phase differential-transformer displacement sensor with phase output |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001132924A RU2208762C1 (en) | 2001-12-03 | 2001-12-03 | Amplitude-phase differential-transformer displacement sensor with phase output |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2208762C1 true RU2208762C1 (en) | 2003-07-20 |
Family
ID=29211046
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2001132924A RU2208762C1 (en) | 2001-12-03 | 2001-12-03 | Amplitude-phase differential-transformer displacement sensor with phase output |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2208762C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2452917C1 (en) * | 2010-09-23 | 2012-06-10 | Учреждение Российской академии наук Институт спектроскопии РАН | Inductive measuring transducer |
-
2001
- 2001-12-03 RU RU2001132924A patent/RU2208762C1/en active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2452917C1 (en) * | 2010-09-23 | 2012-06-10 | Учреждение Российской академии наук Институт спектроскопии РАН | Inductive measuring transducer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100993928B1 (en) | Magnetic bridge type current sensor, magnetic bridge type current detecting method, and magnetic bridge for use in that sensor and detecting method | |
JPH10513549A (en) | DC and AC current sensors with sub-loop operated current transformers | |
CN110927428B (en) | Wide-range wide-band high-precision magnetic balance type current measuring device | |
EP3105602B1 (en) | Sensor and method for electric current measurement | |
Ripka et al. | Transformer position sensor for a pneumatic cylinder | |
CN111103039B (en) | Oil tank level sensor | |
RU2208762C1 (en) | Amplitude-phase differential-transformer displacement sensor with phase output | |
Vincueria et al. | Flux-gate sensor based on planar technology | |
KR20120088680A (en) | Performance-optimized actuation of a flux gate sensor | |
JP4810021B2 (en) | Position detection device | |
Yang et al. | Analysis and design of a self-oscillating bidirectionally saturated fluxgate current sensor | |
JP4115036B2 (en) | Liquid level detector | |
JP2000266786A (en) | Current sensor | |
Elmatboly et al. | Giant magneto resistive sensing of critical power system parameters | |
RU2778032C1 (en) | Paramagnetic sensor | |
Zhang et al. | Design of an inductive long displacement measurement instrument | |
Thottuvelil et al. | High-frequency characteristics of amorphous metallic-alloy tape-wound cores | |
JP2002116242A (en) | Magnetic detecting device | |
SU996956A1 (en) | Device for measuring variable electric field strength | |
Ivancheva et al. | MEASUREMENT OF SMALL LINEAR DISPLACEMENTS WITH INDUCTIVE TRANSDUCER | |
RU2133505C1 (en) | Training aid for physics | |
CN111856117A (en) | Voltage sensor and measuring method | |
RU2012009C1 (en) | Method of measuring parameters of continuous cylindrical electroconducting objects | |
RU2328002C1 (en) | Instrumental transformer of alternate current | |
JPH01280258A (en) | Measuring instrument for conductivity of liquid |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner |