SU1760310A1 - Устройство дл бесконтактного измерени рассто ний - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в системах электромагнитного подвеса, дл  измерени  толщины покрыти  на металлах и т.п. Цель изобретени  - повышение точности и помехоустойчивости устройства дл  измерени  рассто ни  до провод щей поверхности в диапазоне до дес тков миллиметров . Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройстве, содержащем источник переменного напр жени , первичный преобразователь с двум  катушками индуктивности , узел вычитани , два детектора и блок делени , переменное напр жение подаетс  на первичный измерительный преобразователь через интегрирующие цепи, операцию вычитани  выполн ют над продетектиро- ванными сигналами, а катушки индуктивности выполнены печатным способом без ферромагнитных сердечников и разнесены на фиксированное рассто ние в направлении измер емых рассто ний. Новым также  вл етс  выполнение их в виде двух последовательно соединенных секций. 4 з.п. ф- лы, 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к области измерени  неэлектрических величин и может быть использовано дл  измерени  рассто ний до металлической поверхности объекта как в статическом состо нии, так и при перемещении последнего Наиболее целесообразно применение предлагаемого устройства дл  измерени  в диапазоне до 30-40 мм зазоров в транспорте на магнитном подвесе, воздушной подушке, а также при измерении толщины неметаллических покрытий, вибрации и т.п.

Известно устройство дл  бесконтактного измерени  рассто ни  до металлической поверхности, содержащее первичный преобразователь в виде катушки индуктивности , образующей с конденсатором колебательный контур, который входит в состав автогенератора, счетчик импульсов, регистр пам ти, преобразователь кодов на базе посто нно запоминающего устройства, циф- роаналоговый преобразователь и блок управлени .

В зависимости от рассто ни  между катушкой индуктивности и металлической поверхностью объекта мен етс  величина вихревых токов, наводимых в поверхностных сло х объекта. Обратное действие вихревых токов вызывает уменьшение магнитного пол  катушки первичного преобра х| О О СО

О

эовател , что вызывает эффект уменьшени  индуктивности этой катушки. В результате в зависимости от рассто ни  до объекта автогенератор вырабатывает колебани  различной частоты.

Блок управлени  включает счетчик на строго определенное врем , за которое подсчитываетс  количество колебаний автогенератора . Затем это количество переписываетс  в регистр пам ти, выходной код которого поступает на вход преобразовател  кодов. Передаточна  функци  преобразовател  определ етс  содержимым посто нного запоминающего устройства. В него записываютс  коды, обеспечивающие коррекцию нелинейности преобразовани  рассто ние - частота. Обратное преобразование числовых кодов в аналоговый сигнал осуществл етс  цифроаналоговым преобразователем .

Существенными недостатками такого устройства, ограничивающими область его применени ,  вл ютс :

необходимость тщательного и индивидуального подбора конденсаторов колебательного контура автогенератора дл  обеспечени  приемлемой термостабильности частоты;

сложность схемной реализации;

ступенчата  форма передаточной характеристики;

больша  инерционность устройства (врем  преобразовани  составл ет несколько сотен микросекунд);

большой уровень собственных шумов, обусловленный работой цифроаналогового преобразовател ;

ограниченный температурный диапазон работы первичного преобразовател  в св зи с необходимостью размещени  в его ссгаве полупроводниковых элементов автогенератора .

Известно также дифференциальное устройство дл  измерени  рассто ни . Это устройство содержит две одинаковых катушки индуктивности, расположенные на ферри- товых сердечниках и подключенные к генератору пр моугольных импульсов через резисторы, два амплитудных детектора и блок вычитани  напр жений.

Около катушек индуктивности располагаютс  два металлических тела, рассто ние до одного из которых подлежит измерению.

Принцип действи  датчика заключаетс  в измерении падени  напр жени  на катушках , индуктивность одной из которых измен етс  в зависимости от контролируемого рассто ни . Благодар  применению второй компенсирующей катушки удаетс  в значительной степени ослабить вли ние дестабилизирующих факторов на первичный преобразователь , образованный двум  катушками индуктивности

Недостатками данного устройства  вл ютс :

больша  нелинейность передаточной характеристики, обусловленна  нелинейной зависимостью индуктивности катушки

0 от измер емого рассто ни , и вызванный этим малый диапазон измерени  рассто ний;

недостаточна  точность измерений из- за сильного вли ни  на результаты измере5 ний выходного напр жени  генератора под действием температуры, старени , колебаний напр жени  питани  датчика;

больша  чувствительность к внешним магнитным пол м, вызываема  параметри0 ческим эффектом из-за нелинейности кривой намагничивани  ферритовых сердечников, а также сложением напр жений помех, наводимых в катушках, с напр жением полезного сигнала.

5 Наиболее близким к за вл емому  вл етс  устройство дл  измерени  толщины защитного сло  бетона в железобетонных конструкци х.

Устройство содержит источник пере0 менного напр жени , включающий блок питани , генератор и выходной усилитель, первичный преобразователь - индуктивный датчик в виде П-образных сердечников, один из которых содержит одну питающую

5 и две измерительных обмотки, а другой - одну питающую и одну измерительную обмотки , причем выступы сердечника с двум  измерительными обмотками короче выступов сердечника с одной измерительной об0 моткой на известную величину, выходной блок с показывающим устройством логомет- рического типа, включающий два амплитудных детект.ора и делительное устройство, которое выполнено в виде двух логарифми5 рующих элементов и измерительного прибора . Последний включен по схеме измерени  разности напр жений логарифмирующих элементов, т.е. образует узел вычитани  напр жени .

0 Принцип действи  прибора заключаетс  в определении сигналов на измерительных обмотках, вычитании напр жений двух обмоток и делении напр жени  третьей измерительной обмотки на разностное. При

5 этом благодар  операции делени , выполн емой делительным устройством, ослабл етс  вли ние нестабильности выходного напр жени  усилител  а также осуществл етс  линеаризаци  передаточной характеристики .

Недостатками этого устройства  вл ютс 1 больша  погрешность измерений, в особенности при измерении рассто ний, близких к максимальным величинам, из-за вли ни  сдвига фаз вычитаемых напр жений измерительных обмоток, температурных изменений падений напр жени  на диодах амплитудных детекторов;

сильное вли ние внешних магнитных полей, навод щих в измерительных катушках дополнительную ЭДС и измен ющих магнитную проницаемость сердечников с обмотками;

сложность конструкции первичного преобразовател .

Целью изобретени   вл етс  повышение TOWOCTH и помехоустойчивости устройства .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что устройство, содержащее источник переменного напр жени , первичный преобразователь с двум  катушками индуктивности, узел вычитани , блок делени , два резистора, включенные последовательно с соответствующими катушками индуктивности первичного преобразовател , и два детектора, один из которых включен между первой катушкой индуктивности и входом блока деле- ни . снабжено третьим детектором, включенным между второй катушкой индуктивности и первым входом узла вычитани , второй детектор включен между первой катушкой индуктивности и вторым входом узла вычитани , а выход узла вычитани  соединен с вторым входом блока делени .

При этом операци  детектировани  осуществл етс  дл  напр жений на катушках индуктивности. Эти напр жени  имеют достаточно большую величину и при детектировании происходит изменение напр жений практически на одинаковую величину, т.е. нелинейность передаточной характеристики детектирующих элементов про вл етс  одинаково. Последующее вычитание компенсирует вли ние детекторов и разностное напр жение на выходе узла вычитани  пропорционально разности напр жений на катушках индуктивности с высокой точностью. Последущее деление компенсирует вли ние колебаний напр жени .

Этим достигаетс  повышение точности и стабильности устройства.

Повышенна  симметри  каналов и отсутствие ферромагнитных сердечников способствует увеличению помехоустойчивости устройства.

Применение интегрирующей цепи и выполнение источника переменного напр жени  в виде формировател  пр моугольных

импульсов стабилизирует форму напр жени  питани0 измерительной цепи и способствует дальнейшему повышению точности и стабильности устройства.

Выполнение катушек индуктивности печатным способом и разнесение их на заданное рассто ние также обеспечивает повышение стабильности устройства.

Выполнение катушек индуктивности в

виде двух секций, разнесенных в направлении , перпендикул рном измер емому рассто нию , и соединенных последовательно, обеспечивает компенсацию ЭДС, наводимой магнитными пол ми, что приводит к повышению помехоустойчивости устройства. Разделительные цепи между катушками индуктивности и детекторами ослабл ют сигнал помехи, так как ее спектр, как правило , не совпадает со спектром полезного

сигнала и еще более увеличивает помехоустойчивость .

На чертеже приведена структурна  схема предлагаемого устройства

Устройство содержит источник переменного напр жени  1; первичный преобразователь 2, выполненный в виде катушек индуктивности 3 и 4; резисторы 5 и 6, образующие с катушками 3 и 4 электрический мост 7; детекторы 8, 9 и 10; узел вычитани 

напр жени  11 и блок делени  12. Устройство может включать интегрирующую цепь 13, выполненную, например, в виде RC-цепи из резистора 14 и конденсатора 15, а также разделительные цепи 16 и 17.

Питание моста осуществл етс .от источника переменного напр жени  1 непосредственно либо через интегрирующую цепь 13. Входы детекторов 8, 9 и 10 подключены к катушкам индуктивности 3 и 4 непосредственно либо через фильтры 16 и 17, а выходы - к входам узла вычитани  напр жени  11 и блока делени  12. Выход узла вычитани  напр жени  11 соединен с одним из входов блока делени  12.

На катушках индуктивности 3 и 4 формируетс  переменное или импульсное напр жение , огибающие которых обозначены Ui и IJ2 соответственно. На выходе детекторов 8-10 формируютс  соответственно напр жени  Un и Uia выпр млением напр жени  Ui и Lbi - выпр млением напр жени  U2. После вычитани  напр жений Uia и U2i формируетс  напр жение Уд. т.е.

UA Ki -(U21-U12).

где Ki - коэффициент усилени  узла вычитани  напр жений 11.

После делени  напр жений U и Un блоком делени  12 напр жение Увых подаетс  на выход устройства. Это напр жение равно

- К2 Uu

и

-К2 U11

п

Уд

(1) (2)

где К2 - коэффициент усилени  блока делени  12.

Вид выражени  (1) или (2) выбираетс  в зависимости от требуемой передаточной характеристики устройства.

Устройство работает следующим образом .

При протекании переменного тока через ветви электрического моста 7 на катушках индуктивности 3 и 4 создаютс  падени  напр жени  Ui и LJ2 за счет ЭДС самоиндукции , которые завис т от индуктивности этих катушек. Измерительна  катушка, например 4, находитс  вблизи металлической поверхности. Магнитное поле этой катушки наводит в металлической поверхности вихревые токи, которые обратным воздействием уменьшают ЭДС катушки 4, создава  эффект уменьшени  ее индуктивности. Компенсирующа  катушка 3 находитс  от металлической поверхности на значительно большем рассто нии и может быть дополнительно экранирована от ее вли ни . Поэтому ЭДС катушки индуктивности 3, а следовательно, и напр жение Ui практически не завис т от измер емого рассто ни .

При выпр млении напр жений Ui и U2 детекторами 9 и 10 получаем

U12 - Ul-Ufl,

U2i и2-ид,

где Уд - падение напр жени  на детекторах 9 и 10.

После вычитани  получаем

U Kr(U2i-Ui2)Ki(U2-Ui).

Таким образом, при одинаковых детекторах 9 и 10 их вли ние на результаты измерени  практически отсутствует. Вычитание выпр мленных напр жений приводит также к компенсации пульсаций. Это позвол ет уменьшить посто нные времени фильтров и в результате повысить быстродействие устройства .

Выбором сопротивлений резисторов 5 и 6 можно получить такие величины напр жений Ui и Уз. при которых напр жение

U имеет зависимость от рассто ни  близкую к виду

II -Кз

где -Кз - коэффициент пропорциональности .

В таком случае при выполнении делени  по формуле (2) получаем практически линейную зависимость 0Вых от рассто ни 

д. Дл  обеспечени  нелинейной передаточной характеристики логарифмического типа входа блока делени  12 мен ютс  друг с другом и в результате деление осуществл етс  по формуле (1).

При изменении амплитуды выходного

напр жени  источника переменного напр жени  1 происходит пропорциональное изменение напр жений Ui и U2, что приводит к одинаковому относительному изменению

напр жений U и Un, вход щих в формулы (1) и (2), В результате напр жение Увых будет независимым от амплитуды напр жени  источника переменного напр жени  1. Наиболее полно указанное положение будет выполнено при достаточно малых падени х напр жени  на детекторе 8. Остаточное падение напр жени  может быть скомпенсировано цеп ми смещени  блока делени , как это предусмотрено, например, в микросхеме

К525ПС2.

Некотора  непропорциональность изменени  напр жений Ui и Ua при изменении формы напр жени  источника переменного напр жени  1 может быть ослаблена введением между источниками переменного напр жени  1 и электрическим мостом 7 интегрирующей цепи 13, выполненной , например, в виде RC-цепи из резистора 14 и конденсатора 15. Наиболее

полно действие интегрирующей цепи 13 будет про вл тьс  при выполнении источника переменного напр жени  1 в виде формировател  пр моугольных импульсов. При этом на питание моста 7 поступает напр жение

экспоненциальной формы и изменение формы (фронтов) напр жени  генератора напр жени  1, например, из-за температурного изменени  характеристик его выходного каскада будет отфильтровано.

Дл  того, чтобы изменение индуктивности катушек 3 и 4 и их активного сопротивлени  с температурой не сказывалось на результатах измерени , указанные изменени  в измерительной и компенсационной

катушках должны быть одинаковыми В этом случае происходит их компенсаци  Наиболее полно это условие достигаетс  при выполнении катушек 3 и А печатным способом. Минимальна  разница темпера

тур катушек 3 и 4 может быть получена при их достаточно близком расположении по отношению друг к другу. Дл  этого катушки 3 и 4 располагаютс  одна над другой на фиксированном рассто нии друг от друга. Различное их удаление от контролируемой металлической поверхности приводит к тому , что на наиболее удаленной от металлической поверхности компенсирующей катушке 3 изменение падени  напр жени  в зависимости от рассто ни  будет достаточно малым и не скажетс  на характеристиках устройства. Компенсирующа  катушка может быть закрыта от вли ни  металлической поверхности дополнительным экраном , помещенным между катушками индуктивности 3 и 4.

Внешнее переменное магнитное поле наводит в катушках 3 и 4 ЭДС помехи, величина которой пропорциональна площади катушек и количеству витков. При неравномерном магнитном поле ЭДС помехи в каждой из катушек будет равной. Это приводит к тому, что на выходе узла вычитани  будет дополнительно выдел тьс  напр жение помехи , проход щее затем на выход устройства . Уменьшение ЭДС помехи каждой катушки, а следовательно, и выдел емого разностного сигнала достигаетс  выполнением катушек индуктивности 3 и 4 в виде двух последовательно соединенных секций. Магнитные пол  секций направл ютс  в различные стороны. Разнесение секций в направлении, перпендикул рном измер емому рассто нию, приводит к созданию результирующего магнитного пол , напоминающего по конфигурации поле подковообразного магнита. В результатэ этого индукци  магнитного пол  по мере удалени  от измерительной катушки 4 затухает более медленно, что увеличивает вихревые токи в металлической поверхности и усиливает ее вли ние на индуктивность катушки 4. Увеличение полезного сигнала, достигаемое при этом, способствует дальнейшему повышению точности, стабильности и помехоустойчивости .

Еще большее ослабление сигнала помехи может быть достигнуто введением между катушками индуктивности 3 и 4 и входами детекторов 8, 9, 10 фильтров 16 и 17, параметры которых выбраны таким образом, чтобы в максимальной степени пропустить

полезный сигнал и ослабить помеху. В качестве фильтров могут быть использованы RC- цепи, трансформаторные цепи или более сложные узлы.

Таким образом, устройство дл  бесконтактного измерени  рассто ни  по сравнению с устройством, прин тым за прототип, обладает более высокими точностью, помехоустойчивостью и стабильностью.

,

Claims (5)

1.Устройство дл  бесконтактного измерени  рассто ний, содержащее источник

переменного напр жени , первичный преобразователь с двум  катушками индуктивности , кажда  из которых через резистор соединена с выходом источника переменного напр жени , блок вычитани  напр жений , блок делени , первый детектор, включенный между первой катушкой индуктивности и первым входом блока делени , и второй детектор, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности и помехоустойчивости , оно снабжено третьим детектором , включенным между второй катушкой индуктивности и первым входом блока вычитани  напр жений, второй детектор включен между первой катушкой индуктивности и вторым входом блока вычитани  напр жений , а его выход соединен с вторым входом блока делени .

2.Устройство пол.1,отличающее- с   тем, что оно снабжено интегрирующей

цепью, включенной между источником переменного напр жени  и резисторами, а источник переменного напр жени  выполнен в виде формировател  пр моугольных импульсов .

3. Устройство поп.1,отличающее- с   тем, что катушки индуктивности выполнены печатным способом и смещены в направлении измер емого рассто ни  на заданное значение.

4. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с   тем, что кажда  катушка индуктивности выполнена в виде двух секций, соединенных последовательно.

5. Устройство поп.1,отличэющеес   тем, что оно снабжено двум  фильтрами, каждый из которых включен между соответствующей катушкой индуктивности и детектором .

Ь r ,- I

. лit . I : - - - -

23

,- I

it . I : - - - -

dj