Измеритель угловых перемещений

(19) 01)51)5 С 01 В 7/30 1 СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМИ ГКНТ СССР(71) Куйбьппевский филиал Институмашиноведения им. А.А. Влагонрав(56) Авторское свидетельство СССУ 1392350, кл. С 01 В 7/30, 1986 ОВЫХ ПЕРЕМЕР 1 ЕНИИносится к изме 1 ель изобретенияи быстродействиягается за счет ои характе- очно-линей- счет сокра- измерения формирования гр ристики устройс ных участков, а щения числа так с шести до четыр уировоч из кус кже за ов цикла ех. До п хода ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯеею Ввю Х 1 Уу ХуХ У Уу УУ ХХ ХгУ У Ур УУ1603187 83Д 1Д 2Дф23фд п Составитель К. ТавлиновТехред М.Ходанич Корректор О, Кравцовав Редактор А. Огар Заказ 3376 Тираж 503 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательскии комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 1013 1603187 4 пульсов с генератора 19 тактовых импульсов на выходах блока 20 управления присутствует нулевой уровень.Ключи 3-10 разомкнуты. Измерениеугловогоперемещения происходит зачетыре такта, в каждом из которыхзамыкаются два ключа (3 и б, 7 и 10,5 и 4, 9 и 8). В каждом такте навыходах вторичной обмотки дифференциИзобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения угловых перемещений.Цель изобретения - повьнпение точности и быстродействия измерения.Повьппение точности измерителя обеспечивается заменой нелинейных участков градуировочной характеристики одного плеча линейными участками другого плеча, т.е. за счет формирования градуировочной характеристики из кусочно-линейных участков, а повьппение его быстродействия обеспечивается сокращением числа тактов цикла измерения с шести до четырех.На фиг. 1 приведена структурная схема измерителя угловых перемещений; на фиг. 2 - датчик, разрез, и его сечения; на Фиг. 3 - графики изменения величины индуктивности катушек датчика от углового смещения вала; на фиг. 4 - графики изменения отношения,разности индуктивностей катушек датчика к их сумме от углового смещения вала; на фиг, 5 - зависимости выходных сигналов цифровых компараторов от углового смещения вала для четырех опросных тактов; на фиг, 6 - таблица истинности преобразователя кодов; на фиг, 7 - таблица истинности Формирователя адреса; на фиг. 8 - схема преобразователя кодов; на фиг. 9 - временные диаграммы выходных импульсов блока управления и распределителя.Измеритель угловых перемещений содержит индуктивный датчик 1 с четырьмя катушками индуктивности Ь 1- Ь 4, соединяемый с валом 2, восемь ключей 3-10, источник 11 постоянного напряжения, группу логических схем 2 И 12, распределитель 13, включающий счетчик и дешифратор, дифференцирующий трансформатор 14, парарующего трансформатора 14 формирует ся колоколообразный импульс напряжения с амплитудой, пропорциональной относительному разбалансу двух индуктивностей; Ц Ь - Ь/Ь+ Ь "к 1 к 11 в где Ь ", и Ь ", - катушки индуктивности, подключенные к дифференцирующему трансформатору 14 через замкнутые ключи в -м такте, 9 ил. фазный усилитель 15, временной селектор 16, амплитудный детектор 17,.аналого-цифровой преобразователь 18,генератор 19 тактовых импульсов, блок120 управления, шинный конъюнктор 21,1 20 второе постоянное запоминающее устройство 22, второй цифровой компаратор 23, постоянное запоминающее устройство 24, цифровой компаратор 25,регистры 26-29 данных, схему 30совпадения, второй регистр 31 признаков, регистр 32 признаков, мультиплексор 33, преобразователь 34 кодов,формирователь 35 адреса, регистр 36номера зоны и регистр 37 результата. 30 Катушки индуктивности Ь 1-Ь 4 однимивыводами соединены с выходом источника 11 постоянного напряжения, второй вывод катушки Ь 1 соединен с инФормационными входами ключей 3 и 4,второй вывод катушки Ь 2 соединен синформационными входами ключей 5 и 6,второй вывод катушки ЬЗ соединен синформационными входами ключей 7 и 8,выходы ключей 3, 5 и 7 соединены с 40 первым выводом первичной обмотки дифференцирующего трансформатора 14,выходы ключей 4, 6 и 8 соединены свторым выводом первичной обмотки дифФеренцирующего трансформатора 14, от воды от середин первичной и вторичной обмоток дифференцирующего трансформатора 14 подключены к земпянойшине, выводы вторичной обмотки дифференцирующего трансформатора 14 сое 50 динены с входами парафазного усилителя 15, выход которого соединен.свходом временного селектора 16, выход последнего соединен с входомамплитудного детектора 17, выход ко торого соединен с ВхОдОм аналого-цифрового преобразователя 18, управля.ющий вход которого соединен с четвертым выходом блока 20 управления,пятый выход которого соединен с уп5 160 равляющим входом амплитудного детектора 17, третий выход - с управляющим входом временного селектора 16, а второй выход - с первыми входами группы логических схем 2 И 12, вторыевходы группы логических схем 2 И 12 соединены с выходами дешифратора распределителя 13, выходы группы логических схем 2 И 12 соединены с управляющими входами ключей 3-8, первый выход блока 20 управления соединен с входом распределителя 13, выходы счетчика которого соединены с адресными входами постоянного запоминающего устройства 24, а выходы дешифратора распределителя 13 соединены также с группой входов шинного коньюнктора 21, стробирующий вход которого соединен с шестым выходом блока 20 управления, который соединен также с управляющим входом регистра 32 признаков. Выход генератора 19 тактовых импульсов соединен с входом блока 20 управления, седьмой выход которого соединен с одним из входов схемы 30 совпадения, второй вход которой соединен с выходом дешифратора распределителя 13. Выходы аналого-цифрового преобразователя 18 соединены с первой группой входов цифрового компаратора 25, а также с информационными входами регистров 26-29 данных, управляюпде входы которых соединены с соответствующими выходами шинного конъюнктора 21, Вторая группа входов цифрового компаратора 25 соединена с выходами постоянного запоминающего устройства 24. Выход цифрового компаратора 25 соединен с входом регистра 32 признаков, выходы которого подключены к входам преобразователя 34 кодов, выходы преобразователя 34 кодов соединены с информационными входами регистра 36 номера зоны, управляющий вход которого соединен с выходом схемы 30 совпадения и с управляющим входом регистра 37 результата, вход которого соединен с выходом мультиплексора 33, входы мультиплексора 33 соединены с выходами регистров 26-29 данных.Катушка индуктивности Ь 4 первым выводом соединена с выходом источника 11 постоянного напряжения, второй вывод Ь 4 соединен с информационными входами ключей 9 и 10, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым выводами первичной обмотки дифференцирующего трансформатора 14,управляющие входы ключей 9 и 10, соединены с выходами дополнительных логических схем 2 И 12, Первая группавходов второго цифрового компаратора23 соединена с выходами аналогоцифрового преобразователя 18, а вторая группа входов - с выходами второго постоянного запоминающего устройства 22, адресные входы которого соединены с выходами счетчика распределителя 13, выход второго цифровогокомпаратора 23 соединен с входом второго регистра 31 признаков, управляющий вход которого соединен с шестымвыходом блока 20 управления, выходы. второго регистра 31 признаков соединены с входами преобразователя 34кодов, выходы которого соединены с20 входами формирователя 35 адреса,выходы которого соединены с управляющими входами мультиплексора 33.Индуктивный датчик содержит стаканообразный ротор 38 (Фиг. 2), жест 25 ко закрепленный на валу 2, Ротор расположен внутри соосного с ним статора 39, на котором неподвижно установлены четыре катушки индуктивности Ь 1- Ь 4. На роторе 38 и статоре 39 под катуш 30 ками индуктивности Ь 1-1 4 выполненывзаимно перекрывающиеся окна с угловымразмером 180 . На роторе 38 под катушками индуктивности Ь 1-ЬЗ окнасдвинуты по углу относительно окнапод катушкой индуктивности Ь 4. Под35 катушкой индуктивности ЬЗ окно сдвинуто на угол 180 , под катушкой индуктивности Ь 2 - на угол 45 , подкатушкой индуктивности Ь 1 - на угол225 . Ротор 38 и статор 39 выполненыоиз немагнитного электропроводного металла,Измеритель работает следующим образом.До прихода импульса с генератора19 тактовых импульсов на всех выводах блока 20 управления присутствует нулевой уровень, На выходе Д 4дешифратора распределителя 13 присутствует высокий потенциал, на ос 50 тальных выходах дешифратора распределителя 13 - низкий потенциал, Ключи3-10 разомкнуты, так как на их управляюших входах присутствует низкийпотенциал, который с второго выхода55 блока 20 управления через группулогических схем 2 И 12 поступает науправляющие входы ключей 3-10,Измерение углового перемещенияначинается с момента прихода первог40 импульса с генератора 19 тактовых импульсов на блок 20 управления. Импульс с пятого выхода блока 20 управления поступает на управляющий вход амплитудного детектора 17, в резуль-, тате чего происходит разряд его кон- денсатора.Импульс с первого выхода блока 20 управления поступает на счетный вход 10 счетчика распределителя 13, который состоит из счетчика по модулю четыре, дешифратора на 4 и схемы предустановки счетчика при включении питания, выходы счетчика соответственно сое динены с входами дешифратора. По достижении напряжением питания номинального значения в схеме предустановки вырабатывается импульс, по которому счетчик распределителя 13 устанавливается, например, в состояние 11. Импульс, поступивший на счетный выход переводит счетчик в состояние 00. На выходе Д 1 дешифратора появляется высокий потенциал, на выходе 25 Д 4 - низкий. Высокий потенциал разрешает прохождение импульса с второго выхода блока 20 управления через две логические схемы 2 И 12. Импульс с второго выхода блока 20 управления 30 проходит на ключи 3 и 6, которые замыкаются на время, равное длительности этого импульса. Катушки индуктивности Ь 1 и Ь 2, источник 11 постоянного напряжения, замкнутые ключи 35 3 и 6 и трансформатор 14 образуют измерительную цепь, реализующую ,преобразование относительной разности двух индуктивностей в амплитуду электрического сигнала по методу первой производной или коммутативным способом.На концах вторичной обмотки дифФеренцирующего трансформатора 14 формируется колоколообразный импульс, 45 амплитуда которого пропорциональна относительному разбалансу двух индуктивностей, в частности Ь 1 и Ь 2 Зависимость амплитуды сигнала на вторичной обмотке дифференцирующего трансформатора 14 от углового смещения вала 2 повторяет зависимость относительного разбаланса этих индуктивностей. В парафазном усилителе 15 осуществляется масштабирование сигнала. На выход временного селектора 16 проходит область, прилегающая к первому максимуму сигнала, На емкости амплитудного детектора 17 запоминается максимум сигнала с выхода временного селектора 16. Амплитуда максимума преобразуется в двоичный код в аналого-цифровом преобразователе 18, двоичный,код с выходакоторого записывается в один из регистров 26-28 данных и сравниваетсяв цифровых компараторах 23 и 25 сдвоичными кодами из постоянных запоминающих устройств 22 и 24. Послеустановления результата сравненияна выходах цифровых компараторов 23и 25 (фиг, 5, 1-й такт) по импульсус шестого выхода блока 20 управлениярезультаты сравнения записываютсяв регистры 31 и 32 признаков, 1-йтакт измерения углового перемещениязакончен.Измерение углового перемещенияпроисходит эа четыре такта. Каждыйотакт начинается с прихода импульсас генератора 19 тактовых импульсовна блок 20 управления. Во 2-м - 4-мтактах измерение происходит аналогично описанному для 1-го такта. Вкаждом такте замыкаются два из восьми ключей 3-10, В 1-м такте замыкаются ключи 3 и 6, во 2-м такте - ключи7 и 10, в 3-м - ключи 5 и 4, в 4-м -ключи 9 и 8,В каждом такте на выводах вторичной обмотки дифференцирующего трансформатора 14 формируется колоколообразный импульс напряжения с амплитудой, пропорциональной относительномуразбалансу двух индуктивностей;3ц д) 2 е. 2ь,+к,где 1 . 1.; - катушки индуктивности,подключенные к дифференцирующему трансформатору 14 через замкнутые ключи в -м такте.Относительный разбаланс индуктивностей Ь 1-Ь 4 определяется угловым положением вала 2. При угловом положении нала (. = 67,5 о окна на роторе 38и статоре 39 под катушкой индуктивности Ь 2 взаимно перекрыты полностью,а влияние вихревых токов, наводимыхв статоре 39 и роторе 38, на катушкуиндуктивности Ь 2 максимально, Поэтомувеличина индуктивности катушки Ь 2минимальна, так как максимальная отрицательная индуктивность, вносимаяв катушку 1,2. При угловом положениивала 39= 227,5 окна на роторе38 и статоре 39 под катушкой Ь 2 вза 1603187имно открыты полностью, а влияние вихревых токов, наводимых в роторе 38 и статоре 39, минимально. Поэтому величина индуктивности катушки Ь 2 максимальна, так как минимальна величина вносимой в катушку 1.2 отрицательной индуктивности, Зависимостивеличин индуктивности всех четырехкатушек 1.4-1,1 от угла поворота вала 2 1 Оаналогичны и лишь сдвинуты па углуотносительно друг друга (фиг. 3).Выводы вторичной обмотки дифференцирующего трансформатора 14 соединеныс входами парафазного усилителя 15, 15с выхода которого колоколообразныйимпульс напряжения поступает навременной селектор 16, на выход которого проходит максимум колоколообразного импульса с прилегающей обла Остью.На выходе амплитудного детектора17 формируется квазипостоянное напряжение, амплитуда которого равна амплитуде колоколообразного импульса 25напряжения. Напряжение с выхода амплитудного детектора 17 поступает навход аналого-цифрового преобразователя 18, в котором преобразуется вцифровую форму и представляется дво Оичным кодом И, . Результат преобразования М записывается в один из четы"рех регистров 26-29 данных, так какв каждом такте формируется лишь одинимпульс записи на выходах шинногоконъюнктара 21. Результат преобразования И; поступает также на первыевходные шины цифровых компараторов23 и 25, на вторые входные шины которых поступают константы В и Аиз постоянных запоминающих устройств22 и 24, адрес на постоянные запоминающие устройства поступает с выходов счетчика распределителя 13,На выходах цифровых компараторов 4523 и 25 формируется выходной сигнал,определяемый соотношением результатовпреобразования (Б ) из аналого-цифрового преобразователя 18 с константами А,и В,. Если М; А;и И,В;то выходные сигналы цифровых компараторов 23 и 25 Х,= О и У,= О, а приБ ъА и И 1 ВХ= 1 и Х;= 1.1,1Результаты компарирования (фиг, 5)соответствующие константам, обозначенным на фиг. 4, записываются в ре-гистры 31 и 32 признаков по управля-ющему импульсу с шестого выхода блока20 управления в каждом из четырех та 4 ктов цикла измеренияРезультаты компарирования накапливаются в регистрах 31 и 32 признаков в течение четырех тактов цикла измерения.Во всем рабочем диапазоне угловможно различить восемь поддиапазонав(зан) по 45 ; 0 - 45 , 45 - 90315 - 360 . Каждой зоне соответствует определенное сочетание нулей иединиц, накапливающихся в регистрах31 и 32 признаков,На входы преобразователя 34 кодовпоступает параллельный двоичный копс выходов регистров 3 1 и 32 признаков, К концу четвертога такта циклаизмерения на входах преобразователя34 кодов возможно появление одногоиз восьми сочетаний Х У ХУ, ХуУэ,ХУ (фиг, 6). На выходе преобразователя 34 кодов формируется двоичныйкод с весами 4-2-1, цифровой эквивалент которого соответствует номерузоны. По приведенной на Фиг. 6 таблице истинности известными методамиможно синтезировать комбинационнологическую схему преобразователя34 кодов, Один из вариантов схемыприведен на Фиг, 8, Код номера эонызаписывается в регистр 36 номера зоны, а также поступает на входы формирователя 35 адреса, в котором кодномера зоны преобразуется в адресодного из регистров 26-29 данных.Выходы Формирователя 35 адреса соединены с управляющими входами мультиплексора 33, По приведенной нафиг. 7 таблице истинности можносинтезировать схему формирователя35 адреса. Из анализа таблицы нафиг. 7 видно, чта старший разряд"4" входного кода соответствует старшему разряду "11" выходного кода, амладший разряд " 1" входного кода соответствует младшему разряду "1"выходного кода, т,е, в данном случаефункция Формирования адреса регистра данных реализуется соответствующей распайкой выходов Формирователя35 адреса к управляющим входам мультиплексора 33 ("4" к "11" "1" ки 1 т)Результат преобразования, хранящиийся в одном из четырех регистров26-29 данных, соответствующий рабочейзоне, передается мультиплексором 33на входы регистра 37 результата изаписывается в него. В регистре 37результата хранится двоичный кад, 1603187повторяющий зависимость, приведеннуюна фиг. 4 д,Запись информации в регистр 37 реэульта та и р еги с тр 36 номера эоны5осуществляется по приходу импульсас выхода схемы 30 совпадения, который формируется в четвертом тактекак конъюнкцияимпульса с выхода Д 4дешифратора распределителя 13 и импульса с седьмого выхода блока 20управленияИмпульсы записи в регист"ры 26-29 данных получают конъюнкциейимпульсов шины дешифратора распределителя 13 и импульса с шестого выхода 15блока 20 управления.На выходной шине счетчика распределителя 13 выставляется номер тактавыраженный в двоичном коде, на шине дешифратора распределителя 13 фор мируются импульсы Д 1-Д 4 (фиг. 9),сдвинутые один относительно другогово времени. Иина дешифратора распределителя 13 соединена с входами группы логических схем 2 И 12, а также с 25входами шинного конъюнктора 21. Опросные импульсы с второго выхода блока 20 управления через группу логических схем 2 И 12 поступают на управляющие входы ключей 3-10. Сигнал Д 1- 3 ОД 4 разрешают также прохождение импульса с шестого выхода блока 20управления на один из регистров 2629 данных.Импульс с третьего выхода блока20 управления поступает на управляющий вход временного селектора 16, Начетвертом выходе блока 20 управленияФормируется импульс, запускающийаналого-цифровой преобразователь 18. 40 По окончании преобразования в аналого-цифровом преобразователе 18 на шестом выходе блока 20 управления появляется импульс, по которому осу ществляетея запись в регистры 31 и 32 признаков и результатов преобразования в регистры 26-29 данных.На седьмом выходе блока 20 управления импульс появляется лишь после установления на выходе преобразователя 34 двоичного кода номера зоны и прохождения на выход мультиплексора 33 результата из соответствующего регистра (26-29) данных. По импульсу 55 с седьмого выхода блока 20 управления происходит запись в регистр 36 номера зоны и в регистр 37 результата. Результат измерения углового перемещения хранится в двух регистрах: регистре 36 номера зоны и в регистре 37 результата.Формула изобретенияИзмеритель угловых перемещений, содержащий индуктивный датчик угловых перемещений с тремя катушками индуктивности, шесть ключей, источник постоянного напряжения, группу логических схем 2 И, распределитель, включающий счетчик и дешифратор, последова-тельно соединенные дифференцирующий трансформатор, парафаэный усилитель, временной селектор, амплитудный детектор с цепями сброса, аналого-цифровой преобразователь, цифровой компаратор, регистр признаков преобразователь кодов и регистр номера зоны, постоянное запоминающее устройство, регистр результата четыре регистра данных, схему совпадения, мультиплексор, блок управления, шинный конъюнктор и генератор тактовых импульсов, катушки индуктивности первыми выводами соединены с выходом источника постоянного напряжения,второй вывод первой катушки индуктивности соединен с информационными входами первого и второго ключей, второй вывод второй катушки индуктивности соединен с информационными входами третьего и четвертого ключей,второй вывод третьей катушки индуктивности соединен с информационнымивходами пятого и шестого ключей, выходы первого, третьего и пятого ключей соединены с первым выводом первичной обмотки дифференцирующего трансформатора, выходы второго, четвертого и шестого ключей соединены с вторым выводом первичной обмоткидифференцирующего трансформатора, отводы .от середин первичной и вторичной обмоток дифференцирующего трансформатора предназначены для подключения к земляной шине, выходы аналого-цифрового преобразователя соединены с информационными входами четырех регистров данных,:, вторая группа входов цифрового компаратора соединена с выходом постоянного запоминающего устройства, выходы регистров.данных соответственно соединены синформационными входами мультиплексорЫ, выход которого соединен с информаЮционным входом регистра результата,управляющие входы регистра результата и регистра номера зоны соединеныс выходом схемы совпадения, первыйвход которой соединен с выходом де 5шифратора распределителя и с группойвходов шинного конъюнктора, первыйвыход блока управления соединен свходом распределителя, второй выход - 10с первыми входами группы логическихсхем 2 И, третий выход - с управляющим входом временного селектора, четвертый выход - с управляющим входоманалого-цифрового преобразователя, пятый выход - с Обнуляющим входомамплитудного детектора, шестой выход - с управляющим входом регистрапризнаков и стробирующим входом шинного конъюнктора а седьмой ВыхОд 20с вторымвходом схемы совпадения, выходы шинного конъюнктора соответственно соединены с управляющими входами регистров данных, выходы счетчика распределителя соединены с адрес ными входами постоянного запоминающего устройства, выходы групп логических схем 2 И соединены с управляющими входами ключей, вход блока уп. равления соединен с выходом генератора тактовых импульсов, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия измерения, в него введены седьмой: и восьмой ключи, второе постоянное запоминающее устройство, второй цифровой35 компаратор, второй регистр признаков, две дополнительные логические схемы.2 И, формирователь адреса и четвертая катушка индуктивности датчика угловых 40 перемещений, один вывод которой сое 1 цинен с выходом источника постоянного напряжения, а второй вывод - с информационными входами седьмого и восьмого ключей, выходы которых соедине ны соответственно с первым и вторымвыводами первичной обмотки дифференцирующего трансформатора, управляющие входы седьмого и восьмого ключейсоединены с выходами дополнительных логических схем 2 И, первая группа входов второго цифрового компаратора соединена с выходами аналого-цифроВого преобразователя, вторая группа входов второго циФрового компаратора соединена с выходами второго постоянного запоминающего устройства, адресные входы которого соединены с выходами счетчика распределителя, выход второго цифрового компаратора соединен с входом второго регистра признаков, управляющий вход которого соединен с шестым выходом блока управления, выходы второго регистра признаков подключены к входам преобразователя кодов, выходы которого соединены также с входами Формирователя адреса, Выходами подключенного к управляющим входам мультиплексора, выходы дешифратора распределителя соединены с вторыми входами группы логических схем 2 И и вторыми входами дополнительных логических схем 2 И, первые входы которых соединены с вторым выходом блока управления, а датчик угловых перемещений выполнен в виде двух коаксиально расположенных стаканов из немагнитногоэлектропроводного материала, внутренний стакан предназначен для установки на объекте с возможностью вращения вокруг своей оси, а катушки индуктивности датчика угловых перемещений закреплены на внешнем стакане, стаканы выполнены с окнами угловым размером 180 , расположенными под катушками индуктивности, на внутреннем стакане окна образуют две пары в которых они сдвинутыопо углу на 45 относительно друг друга, а пары окон сдвинуты по углуона 180 относительно друг друга,Л д уЮо-д 1 И РбОЕ 4=73л киарная о са до т за го ги ихоФщс -ц и-ми-аа-саяю а-сзакюсл-с РфЙ Л 7 Р РфПВфй 1 НЮДЮУРфЗ