SU1518661A1 - Способ преобразовани перемещений и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерений линейных перемещений. С целью повышени  точности за счет уменьшени  температурной погрешности способ предусматривает формирование в моменты равенства нулю тока обмоток из переменного напр жени  дифференциального индуктивного датчика двух напр жений, одно из которых равно напр жению первой обмотки дифференциального индуктивного датчика, а другое - полусумме напр жений первой и второй обмоток. В эти же моменты формируют напр жение, пропорциональное скорости изменени  тока в обмотках датчика. Преобразу  полученные напр жени  с учетом температурного дрейфа индуктивности датчика, формируют напр жение, пропорциональное перемещению и независ щее от изменений температуры. В устройство, реализующее способ и содержащее обмотки 1, 2,  корь 3, источник 4 питани , резистор 5, компаратор 7, одновибратор 8, блоки 9, 10 выборки и хранени , делитель 11, шину 18 нулевого потенциала, введены дифференциатор 6, делитель 12 напр жени , делитель 13, блок 14 выборки и хранени , вычитатель 15, делитель 16, блок 17 коррекции. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Фиг. 2

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  линейных перемещений . .

Цель изобретени  - повышение точности за счет снижени  температурной погре-лности.

На фиг. 1 приведены графики зави- снмостей индуктивности рабочих об- моток от перемещений; на фиг. 2 - блок-схема устройства, осуществл ющего способ; на фиг. 3 - временные ди- аграм1-1ы работы устройства.

Устройство, осуществл ющее способ, содержит рабочие обмотки 1 и 2, а также ферромагнитный  корь 3 дифференциального индуктивного датчика, Источник 4 питани  включен в электрический контур, образованный последо- нательным соединением рабочих обмоток И и 2, а также резистора 5. Выводы резистора 5, один из которых соединен с входом дифференциатора 6, а другой - с одним из выводов рабочей обмотки 1, подключены, соответственно , к первому и второму входам компаратора 7, св занного через однозибра- тор 8 с управл ющн -1и входами блоков

9и 10 выборки и хранени ,

Сигнальный вход блока 9 соединен с общей точкой рабочих обмоток 1 и 2, а его выход - с входом делимого делител  11. Сигнальный вход блока

10подключен к выводу последователь- но соединенных рабочих обмоток 1 и 2

а его выход через делитель 12 напр жени  - к входу делимого делител  13 Выход блока 6 подключен к сигнальному входу блока 14 выборки и храненгш. Выход делител  11 соединен с первым, а выход делител  13 - с вторым входами вычитател  15, выход которого подключен к входу делимого делител  1 6 .

Выход делител  13 через блок 17 коррекции св зан с входом делител  1 напр жение на выходе которого представл ет собой выходной сигнал устройства , Инна 18 нулевого потенциала подключена к второму входу компаратора 7 и одному из выводов источника 4 питани .

Способ заключаетс  в следующем. Рабочие обмотки 1 и 2 дифференци- ального индуктивного датчика, функционирующего в услови х колебаний температуры, а также резистор 5 запи тывают общим переменным напр жением

sinwt,

где V - амплитуда питающего напр жени ;

(J - его кругова  частота; t - врем .

Выражени  дифференциальных изменений индуктивностей,соответственно, рабочих обмоток 1 и 2 в зависимости от перемещений  кор  3 датчика вдоль оси X имеет вид-линейных функций

(), ,L5-l(X,+vt).

(-х) х х;.

(О (2)

где Ь - балансна  ушдуктивность рабочей обмотки при нейтральном - балансном положении  кор  3, когда его координата X имеет нулевое значение; 1 коэффициент пропорцисчальнос ти индуктивности рабочей обмотки и координаты  кор  3, определ емый параметрами датчика и эксплуатационными услови ми;

г, начальное положение  кор , из которого начинаетс  его движение;

V - скорость движени   кор ; (tX) - границы диапазона преобразовани  с линейной аппроксимацией зависимостей ин- дуктивностей рабочих обмот.ок и 2 от перемещений  кор  3 Запись формул (1) и (2) с введением одинаковой размерности величины коэффициента пропорциональности, сто щего перед аргументом X, и величины балансной индуктивности имеет вид

L,lX(X/X), (la) Ц -lX,(X/X,)+Lg -,+Ц, (2а)

где - модифицированный коэффициент пропорциональности имеющий размерность индуктивности;

lj(X/Xr) - относительное перемещение  кор ;

-1 i .

В диапазоне преобразовани  суммарна  индуктивность и величина тока рабочих обмоток 1 и 2 не завис т от координаты X

L,+L,2L,,(3) ,

(uJt-t/), (.f arctg Q, (4)

515186616

lM°V(2u)L5) + (2r+R) (5)где К - масштабный коэффициент опера ции дифференцировани ,

где R-const - активное сопротивление

резистора 5;U(dUR/dt)R(di/dt).

г - активное сопротивление 5 Вьщеленные сигналы - напр жение

каждой рабочей обмоткирабочей обмотки U,, общее напр жение

п о I If) j.n рабочих обмоток )Lg/(г+к) - добротность контура,

нагружающего источник U(t)U,.(t)- -U(t).

Л ТТИТЭНИЯ

а также напр жение Uq - дискретизиВ рабочих обмотках 1 и 2 вьщел ют моменты времен напр жени , соответственно, U,(t),

UjCt), которые, согласно закону элек- (k-l) ,

тромагнитной индукции и с учетом па- ,5где k - целые числа, устанавливающие дени  напр жени  на активном сопротив- условную нумерацию периодов лении обмоток 1 и 2 равныпитающего напр жени  и„.

(f) --i. + fT ) ff, Как следует из выражени  дл  U,, ,

1 dt dt эти составл ющие сигналов U, U

20в моменты t равны нулю, поскольку

U2(t) 5t dt (7) sin(ujt, .

где ц, y,j - потоКосцеплени , соответ- Таким образом, в моменты t формиственно , рабочих обмотокруютс  дискретизированные величины

1 и 2.25иj напр жени  первой рабочей обмотки , Ujj половины общего напр жени 

Преобразу  выражени  (6) и (7) срабочих обмоток и Uj напр жени 

учетом (1), (2), (1а), (2а), (4) иих аналитические выржсени  наход тс 

раскрыва  производные произведенийна основании использовани  формул

(L,i), (Lji), получают30(8)-(14)

и /t)U,,+Uv,, и,(1), (8)U, U ,(t , (t . I jA.+Lf ), (15)

где Uj(,U,7- координатные составл -U j5 0,5U.5(t)C,,(, (t) (t)

ющие сигналов U i, U-,,)1„Ьб,(16)

пропорциональные ьеличи- 35 „и (,.(17)

не перемещений  кор  3 }

Затем выдел ют напр жени  U,,

п , f .Ujj-, пропорциональные по уровню отU ,,-4L,-u)I(,+L)sin(a)t+0,5;r-c/),(9)ношени м соответственно дискретизии :2 1 )I(-A +L)sin(cJt+0,5i( -4 ), 40Рованного напр жени  первой рабочей

(0)обмотки и половины дискретизирован , I .ного общего напр жени  рабочих обмоt на дискретизированнос напр жение

Uy,,Uy.j- скоростные составл ющие (дл  их количественного описани 

сигналов и,, и, пропор- 45используют выражени  (15)-(17)

циональные величине ско-и,,/и. К j/(K,R) (,,+1.6)

рости  кор  Kj(;,-i-L5). (18)

Uv, i(L;+r) I(l,/r)sin(u)t-i/), (11)U KiUj5/Uj K L /(K,R), (19)

Uy, i(L ,+ r)Ini()sin(u. t-t/), (12) 50где Kj,const - масштабньп коэффици ( . , , ,ент операции делени ;

L , (dL,/dt), L , (dL,/dt).(K,R)

На резисторе 5 вьщел ют сигнал const - известна  посто . . нна  величин.,

(u. t-cf), (13) Сокращение в привсденньк отн зшекоторый затем дифференцируют, получа  величины I ., -Осспечинапр жениевает независимость резульглтл п- -пънейшего преобразовани  величин 1 ,.,

(,m Р- sin(u)t+0,5fr-4), (14) температурных измеигнии ; к пшнo o сопротивлени  г рабочих обмоток 1 и 2, поскольку согласно выражению (5) эти изменени  вли ют именно на величину амплитуды I .

При нормальной температуре датчика величины модифицированнотхз коэффициента пропорциональности А , балансной индуктивности а также индуктивностей L , L , рабочих обмоток 1 и 2 имеют номинальные значени  соответственно, А„, Lg ,

L.

1н

, ,+Ър„

Отклонени  б температуры среды установки датчика от своего нормального значени , обычно принимаемого равным 20°С, обуславливают изменени  данных величин (фиг. 1, где через L обозначена совокупность индуктивностей L , L j)

Л()/Ац, ()tL5, L,

,e-L,(i,,ejtO)5tL ,, 0 tO)L

L.,(T

ге

1Н (I )

)

Таким образом, величины индуктивностей рабочих обмоток 1 и 2 представл ютс  в виде совокупностей (фиг,1)

-I

L

1 IL

,н (х),

L,o(lO,

если если

е 0,

0 0,

ме

1н (п-х), если е 0, 2e(ix) .

Зависимость модифицированного ко- Ьффициента пропорциональности А от уровн  балансной индуктивности Lg, котора  сама представл ет собой функцию отклонени  6 температуры датчика от своего нормального значени , но- сит систематический характер. Эта зависимость известна по результатам опытных данньк, получаемых при температурных испытани х дифференциальных индуктивных датчиков, либо по результатам расчетных данных, получаемых в процессе проектировани  датчиков , и может быть аппроксимирована полиномом.

После выделени  напр жени  U его уровень функционально преобразуформиру  нают в соответствии с пр жение

,A,

где К const - масштабный коэффициент функционального преобразовани ,

Одновременно с получением напр жени  Ug выдел ют разность напр жений di d2 согласно выражени м (18), (19) дает

Ua- UdrUds:-Kcj axЗатем формируют выходной электрический сигнал и а, уровень которого определ етс  отношением разностного напр жени  к напр жению, сформированному с учетом

5

0

5

0 5

.

X

х

к

к

0 i

0

5

Ui Kd, KjKd

Ue К,А К, „

где (KjXr)const -коэффициент преобразовани  перемещений .

Таким образом, сформированное выходное напр жение  вл етс  пропорциональным координате  кор  3, отсчитываемой вдоль оси контролируемых перемещений .

Устройство работает следующим образом .

Дифференциальньш индуктивный датчик с обмотками 1 и 2 установлен возле контролируемого подвижного объекта (на фиг. 2 не показан), с которым жестко скреплен  корь 3, и функционирует в услови х колебаний температуры окружающей его среды. Остальные узлы устройства наход тс  в стабильном тепловом режиме.

При перемещени х  корч вдоль оси X индуктивности рабочих обмоток 1 и 2 измен ютс  дифференциально, причем в пределах диапазона преобразовани  их зависимости от координат  кор  3, отсчитываемых по оси X, имеют линейный характер.

Источник 4 вырабатывает переменное напр жение, распредел ющеес  между последовательно соединенными рабочими обмотками 1 и 2 и резистором 5.

В момент времени t ()t, LJ- Ч напр жение резистора 5, отсчитываемое относительно щины 18 устройства

,, ,

достигает нулевого уровн  и затем в течение половины периода Т(21Г/ы) питающего напр жени  U р находитс  в области отрицательных значений (фиг.З, где через В, обозначена совокупность электрических величин, относ щихс  к контуру подключени  источника : напр жений Up, IJ R и тока i).

91

ЁыхЬдное состо ние компаратора 7 определ етс  соотношением уровней сигналов, подаваемых на его входы. Если величина сигнала, поступающего на первый вход, превышает нулевое значение, соответстнующее подключению его второго входа к общей шине устройства, то на выходе компаратора 7 устанавливаетс  напр жение высокого (единичного) уровн . Если величина сигнала, поступающего на первый вход компаратора 7, переходит в область отрицательных значений, то уровень выходного напр жени  компаратора 7 мен етс  с высокого на низкий (нулевой). Поэтому, начина  с момента t и в течение полупериода 0,5т с выхода компаратора 7 снимаетс  напр жение низкого уровн .

Дифференциатор 6 реализует дифференцирование напр жени  Up с одно- вр еменным изменением его знака

и -K,,U;,U5,

где Up(dUR/dt).

Одновибратор 8 запускаетс  по отрицательному перепаду входного сигнала и в момент t начинает формирование короткого по сравнению с длительностью Т импульса Ug, по выдаче которого блоками 9, 10 и 14 производитс  дискретизаци , соответственно, напр жени  Ugf,Ui(t) рабочей обмотк 1., общего напр жени  рабочих обмоток 1 и 2

Uch V «K U o(t) а также выходного напр жени  L (, дифференциатора 6. Выходные напр жени  блоков 9, 10 и 14 выборки и хранени  соответственно, равны

,cOlJ,+LE), и,„ U(t,), U,,,u),

причем на выходе делител  12 напр жени  формируетс  половина общего напр жени  рабочих обмоток 1 и 2

U,,5U(t,).

Делители 11 и 13 реализуют аналоговые операции делени  выходных напр жений , соответственно, блока и делител  12 на выходное напр жение блока . Выходные напр жени  U делител  11 и и делител  13 представл ют собой величины

110

U,,Ug/U,,U,Kj(,+L), и,,и,, /U,,.

Напр жение на выходе вычитател  15 равно

и,5 U,,-U,.

Блок 17 коррекции реализует нз- вестную по спытно-испытательным или проектно-расчетным данным зависимость модифицированного коэффициента пропорциональности от напр жени  U,,,, значени  которого фиксиру- ютс  (определ ютс ) при колебани х температуры среды установки дифференциального индуктивного датчика.

Выходное напр жение II схемы 16,  вл ющеес  также и выходным сигналом устройства в целом, определ етс  отношением выходного напр жени  вычитател  15 к выходному напр жению блока 17 коррекции

П V -- -V -- -К , -- -К, - -К,

и пропорционально величине X контролируемой координаты  кор  3,,

Ф о Р м У -п а и :5 г б р е т е н и  

1. Способ преобразовани  перемещений , заключаюши1 с  в том, что пропускают перемепньш ток через обмотки дифференциального индуктивного датчика и формируют посто нное напр жение и, равное напр жен1-гю на первой обмотке в момент равенства нулю переменного тока через нее, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности за счет снижени  температурной погрешности, в момент равенства нулю переменного тока через обмотки датчика форьшруют напр жение Ujj, равное сумме напр женго на обмотках датчика и напр жение ,j, пропорциональное скорости изменени  переменного тока через обу ттки дл.тчика, а о перемещении X суд т но значению выражени 

5

УЫ, Х . 2Udo

21S

Л(.)

где ,(б) - температу7-)ноз пнгс1 т. коэффициент пропорим ичлыюс- ти, определ емьз iii r- ivjib- татам опытны:: ис I--T- HII

дифференциального индуктивного датчика.

2. Устройство дл  преобразовани  перемещений, содержащее дифференци альный индуктивный датчик с двум  обмотками, источник питани , резистор , компаратор, одновибратор, два блока выборки и хранени , первый делитель и шину нулевого потенциала, подключенную к первому входу компаратора , выход которого через одновибратор подключен к управл ющему входу первого блока выборки и хранени , выход которого подключен к входу делител , конец первой обмотки дифференциального индуктивного датчика подключен к началу второй обмотки дифференциального индуктивного датчика и к сигнальному входу первого блока выборки и хранени , шина нулевого потенциала через резистор подключена к первому выводу источника питани , отличающеес  тем, что, с целью повьппени  точности за счет снижени  температурной погрешности, в него введены дифференциатор, третий блок выборки и хранени , делитель напр жени , второй и третий делители, вычитатель и блок коррекции, вькод

которого подключен к первому входу второго делител , шина нулевого потенциала подключена к началу первой обмотки дифференциального индуктивного датчика, второй вывод источника питани  подключен к сигнальному входу второго блока выборки и хранени  и концу второй обмотки дифференциального индуктивного датчика, выход одновибра- тора подключен к управл ющим входам второго и третьего блоков выборки и хранени , выходы которых подключены соответственно к входу делител  напр жени  и первому входу третьего делител , к второму входу которого подключен выход делител  напр жени , выход третьего блока выборки и хранени  подключен к второму входу первого делител , выход которого подключен К первому входу вычитател , к второму входу которого подключен выход третьего делител , выход вычитател  подключен к второму входу второго делител , выход которого  вл етс  выходом устройства , выход третьего делител  подключен к входу блока коррекции, пер- вьй вывод источника питани  через дифференциатор подключен к сигнальному входу третьего блока выборки и хранени .

/ 1л

фиг. 3

Claims (2)

1. Формула изобретения

   1. Способ преобразования перемещений, заключающийся в том, что пропускают переменный ток через обмотки дифференциального индуктивного датчика и формируют постоянное напряжение Uj , равное напряжен™ на первой обмотке в момент равенства нулю переменного тока через нее, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет снижения температурной погрешности, в момент равенства нулю переменного тока через обмотки датчика формируют напряжение Uj₅, равное сумме напряжений на обмотках датчика и напряжение Ujq, пропорциональное скорости изменения переменного тока через обмотки датчика, а о перемещении X судят по значению выражения

   U 5U^(t₇) .

   Делители 11 и 13 реализуют аналоговые операции деления выходных напряжений, соответственно, блока и Д^е_55 лителя 12 на выходное напряжение блока 14. Выходные напряжения U делителя 11 и U делителя 13 представляют собой величины татам опытны:·: псы т ’’!и:<

   у_ 2L a a где Α(θ) “ температурнозаврсичё коэффициент ΠΡΟΠΟ]ΗΙ('Τ н -l.-lb пости, определяемый ю дифференциального индуктивного датчика.
2. 2. Устройство для преобразования j перемещений, содержащее дифференциальный индуктивный датчик с двумя обмотками, источник питания, резистор, компаратор, одновибратор, два блока выборки и хранения, первый де- ю лйтель и шину нулевого потенциала, подключенную к первому входу компаратора, выход которого через одновибратор подключен к управляющему входу первого блока выборки и хранения, вы-15 ход которого подключен к входу делителя, конец первой обмотки дифференциального индуктивного датчика подключен к началу второй обмотки дифференциального индуктивного датчика и 20 к сигнальному входу первого блока выборки и хранения, шина нулевого потенциала через резистор подключена к первому выводу источника питания, отличающееся тем, что, с 25 целью повышения точности за счет снижения температурной погрешности, в него введены дифференциатор, третий блок выборки и хранения, делитель напряжения, второй и третий делители, 30 вычитатель и блок коррекции, выход которого подключен к первому входу второго делителя, шина нулевого потенциала подключена к началу первой обмотки дифференциального индуктивного датчика, второй вывод источника питания подключен к сигнальному входу второго блока выборки и хранения и концу второй обмотки дифференциального индуктивного датчика, выход одновибратора подключен к управляющим входам второго и третьего блоков выборки и хранения, выходы которых подключены соответственно к входу делителя напряжения и первому входу третьего делителя, к второму входу которого подключен выход делителя напряжения, выход третьего блока выборки и хранения подключен к второму входу первого делителя, выход которого подключен К первому входу вычитателя, к второму входу которого подключен выход третьего делителя, выход вычитателя подключен к второму входу второго делителя, выход которого является выходом устройства, выход третьего делителя подключен к входу блока коррекции, первый вывод источника питания через дифференциатор подключен к сигнальному входу третьего блока выборки и хранения.

   Фиг.1