Электромагнитное устройство для измерения перемещений

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) (11) 5114 б 01 ИЕ ИЗОБРЕТЕНИ иг. ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ГКНТ СССР К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(54) ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕШЕНИЙ(57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения осевого положения ротора, разности тепловыхрасширений ротора и статора, абсолютныхудлинений корпуса турбин электростанций,определения пространственного положенияуправляющих элементов, в системах очувствления роботов во всех отраслях машиностроения. Целью изобретения является повышение точности устройства для измерения перемещений, которая достигается за счет цифровои обработки сигналов вихретокового преобразователя. Напряжение колебаний генератора 1 высокой частоты поступает на возбуждающую обмотку 3 вихре- токового преобразователя 2, в измерительных обмотках 4 и 7 которого возникает ЭДС, зависящая от электрофизических свойств объекта контроля, его геометрических размеров, зазора между объектом контроля и преобразователем 2. ЭДС обмоток поступает на детекторы 5 и 8, с выходов которых выпрямленное и усиленное напряжение поступает на АЦП 6 и 9 откуда подается на адресные входы ПЗУ 11 блока 10 обработки сигналов АЦП 6 и 9. На выходе ПЗУ формируется число, определяющее положение объекта контроля на какомфф либо из периодов функции обмоток токо- Я вихревого преобразователя 2, При переходе объектом контроля границы периода изменяется старший разряд ПЗУ 11, что влечет за собой изменение на единицу числа, находящегося в счетчике и являющегося номером периода, на котором в данный Я момент находится объект контроля. 2 3. п, ф-лы, 5 ил.Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения осевого положения ротора, раъности тепловых расширений ротора и статора, абсолютных удлинений корпуса турбин электростанций, определения пространственного положения управляющих элементов, в системах очувст. вления роботов во всех отраслях машиностроенияЦель изобретения - повышение точности, которая достигается за счет цифровой обработки сигналов вихретокового преобразователя.На фиг. 1 представлена блок-схема устройства измерения перемещений; на фиг. 2 - устройство обнаружения границы периода; на фиг. 3 - устройство подсчета числа периодов; на фиг. 4 - вихретоковый преобразователь; на фиг. 5 - зависимость амплитуд ЭДС измерительных обмоток от положения объекта контроля.Устройство содержит генератор 1 высокой частоты, вихретоковый преобразователь 2, возбуждающая обмотка 3 которого подключена к генератору 1 высокой частоты, первая измерительная обмотка 4 подключена к последовательно включенным детектору 5 и первому аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 6, а вторая измерительная обмотка 7 - к последовательно включенным детектору 8 и второму аналогоцифровому преобразователю (АЦП) 9, блок 1 О обработки сигналов аналого-цифровых преобразователей 6 и 9, который выпол- нен в виде последовательно включенных постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 11 и блока 12 обнаружения границы периода, а также блока 13 подсчета числа периодов, первый вход которого подключен к выходу старшего разряда постоянного запоминающего устройства 11, а второй вход соединен с выходом блока 12 обнаружения границы периода, причем выходы ПЗУ 11 и блока 13 подсчета числа периодов составляют выход блока 10 обработки сигналов, который подключен к индикатору 14, а входы постоянного запоминающего устройства 11 являются входами блока 10 обработки сигналов и подключены к выходам аналого-цифровых преобразователей 6 и 9.Блок 12 обнаружения границы периода содержит компараторы 15 и 16, первые входы которых соединены между собой и являются входом блока 12 обнаружения границы периода, источники кодов 17 и 18, представляющие собой набор переключателей и подключенные к вторым входам соответствующих компараторов 15 и 16, а также логического элемента 2 ИЛИ 19, входы которого подключены к выходам компараторов 15 и 16, а выход является выходом блока 12 обнаружения границыпериода. Блок 13 подсчета числа периодов содержит два КС-фильтра 20 и 21 верхних частот, КС-фильтр 22 нижних частот,инвертор 23, вход которого соединен с входами КС фильтров 20 и 22 и являетсяпервым входом блока подсчета числа периодов, а выход подключен к входу КС-фильтра 21 верхних частот, логический элемент 2 ИЛИ 24, входы которого подклю-.чены к выходам КС-фильтров 20 и 21 верхних частот, кнопку Сброс 25, а такжесчетчик 26, первый вход которого являетсявторым входом блока 13 подсчета числапериодов, второй и третий входы подключены соответственно к выходам логического15 элемента 2 ИЛИ 24 и КС-фильтра 22 нижних частот, четвертый вход соединен с кнопкой Сброс 25, а выход является выходомблока 13 подсчета числа периодов.Вихретоковый преобразователь 2 содержит основание 27 и охватывающую егопрямоугольную возбуждающую обмотку 3, аизмерительные обмотки 4 и 7 лежат в пазах торцовой поверхности основания, параллельной плоскости возбуждающей обмотки,причем пазы выполнены в виде периодической треугольной функции с периодом Ти сдвинуты друг относительно друга на четверть периода этой функции.Устройство работает следующим образом.Напряжение колебаний генератора 1 высокой частоты поступает на возбуждаюЗО щую обмотку 3 вихретокового преобразователя 2. В измерительных обмотках 4 и 7возникает ЭДС, амплитуда которой зависиткак от напряжения и частоты колебанийгенератора 1 высокой частоты, так и отэлектрофизических свойств, геометрических35 размеров объекта контроля, зазора междуобъектом контроля и преобразователем ипериодически изменяется при перемещенииобъекта контроля, ширина которого меньшедлины преобразователя, параллельно торцовой поверхности преобразователя с периодом, равным периоду треугольной функцииобмоток. Амплитуда ЭДС измерительных обмоток такой конфигурации может бытьприближенно представлена1-)4=А 1 п Х,45 )=А з 1 п (Х+Т/4)=А сов Х,где Х - координата объекта контроля;А - коэффициент, зависящий отэлектрофизических свойств материала, размеров объекта контроля и зазора между объек 50 том и преобразователем, а также от частоты и напряженияколебаний генератора;Т - период треугольной функцииизмерительных обмоток;(.34, 1 1 - амплитуды ЭДС измерительных55 обмоток 4 и 7.ЭДС обмоток поступает на детекторы 5 и 8с выходов которых выпрямленное и усиленное напряжение поступает на АЦП 6 и 9.С выходов АЦП цифровой код поступает на адресные входы ПЗУ 1 блока 10 обработки сигналов АЦП. В ПЗУ 11 занесена таблица в соответствии с формулойЯ=К (л Я,+лЯ+агс 1 д Н,/Н), 5 где 5 - двоичное число на выходеПЗУ 11;Нь Н - двоичные числа на выходе АЦПсоответственно 6 и 9;К - коэффициент преобразования101, если Н/Н(0О, если Н/Нр)01, если Н(0О, если Н)0Таким образом, на выходе ПЗУ 11 формируется число, определяющее положение 15 объекта контроля на каком-либо из периодов функции обмоток, при этом для крайнего левого положения объекта на периоде имеем число =000, а для крайнего правого 5= 111. Старший разряд числа 5 совпадает с величиной Я и изменяет свое значение при переходе Н через ноль.Так как а гс 1 д ( Н,/ Н) = а гс 1 дА- зкХД с 05 Х25=агсд (с Х) =Х,то величина Я зависит только от перемещения Х и не зависит от факторов,влияющих на величину коэффициента А.С выхода ПЗУ 1 двоичное число поступает на вход блока 12 обнаружения 30границы периода.Источники кода 17 и 18 задают двоичные Коды Р и Р соответственно, причемкод Р равен числу 5 на выходе ПЗУ 11при расположении объекта контроля начетверть периода слева от границы пернода, а Р числу 5 на выходе ПЗУ 11при расположении объекта контроля начетверть периода справа от границы периода. Компараторы 15 и 16 сравниваютпоступающее с выхода ПЗУ 11 числос установленными числами Р, и Р и на выходе компаратора 5 появляется логическая , если )Р, а на выходе компаратора 16, если (Р. В результатена выходе блока2 обнаружения границы периода пол уросели1)Р Или 8(Р 2.При поступлении сигнала с выхода блока 12 обнаружения границы периода напервый вход счетчика 26 последний переходит из режима хранения содержащегося в нем числа в режим счета. При 50изменении старшего разряда на выходеПЗУ 11, что происходит при переходе На следовательно, и . через ноль, на выходе одного из К 5-фильтров 20 и 21 бу-,дет возникать положительный импульс, а навыходе другого - отрицательный. Поступаяна входы логического элемента ИЛИ 24,эти импульсы будут формировать счетный импульс на его выходе, который поступит на второй (счетный) вход счетчика 26 и изменит его состояние, если на первом входе счетчика 26 присутствует сигнал, разрешающий счет, Направление счета будет определяться состоянием на третьем входе счетчика 26, соединенным с выходом КС-фильтра 22.Изменение логического состояния на выходе КС-фильтра 22 будет задержано относительно изменения состояния на входе его на время т, определяемое параметрами КС-фильтра 22, которые должны быть подобраны так, чтобы время задержки т было больше времени формирования счетного импульса и срабатывания счетчика 26. Таким образом, логическое состояние на выходе КС-фильтра 22, а следовательно, и направление счета будут определяться состоянием на входе КС-фильтра 22 в момент, непосредственно предшествующий моменту смены сигнала на его входе,При приближении объекта контроля к границе периода ближе, чем на четверть периода, блок 12 обнаружения границы периода формирует сигнал, переводящий блок 13 подсчета числа периодов в режим счета.При переходе объектом контроля границы периода изменяется старший разряд на выходе ПЗУ 11 1 изменяется на 0 при переходе границы слева направо и 0 изменяется на 1 при переходе границы справа налево, что повлечет за собой изменение на единицу числа, находящегося в счетчике 26, причем направление счета будет определяться предшествующим состоянием старшего разряда на выходе ПЗУ 11. Таким образом, в счетчике 26 будет находиться число, являющееся номером периода, на котором в данный момент времени находится объект контроля. При включении устройства объект контроля располагается на нулевом периоде обмоток и нажимается кнопка Сброс 25. При этом, сбрасывается счетчик 26 и на выходе блока 13 подсчета числа периодов устанавливается ноль во всех разрядах.Выходы ПЗУ1 и блока 13 подсчета числа периодов совместно составляют выход блока О обработки сигналов, причем выходы ПЗУ 11 являются младшими разрядами, а выходы блока 13 подсчета числа периодов - старшими. В результате на индикатор 14 поступает двоичное число, характеризующее положение объекта контроля на всем диапазоне измерения, разрядность которого равна сумме разрядностей выходов ПЗУ 11 и блока 3 подсчета числа периодов.Поскольку обработка сигналов производится в цифровом виде, в предлагаемом устройстве отсутствуют погрешности, присущие аналоговым вычислительным устройствам.Абсолютная погрешность предлагаемого устройства на любом диапазоне измерения1483246 Формула изобретения Фиг. 2 равна абсолютной погрешности на одном периоде обмоток и определяется главным образом качеством изготовления преобразователя, причем абсолютная погрешность будет тем меньше, чем меньше период треугольной функции обмоток. Таким образом, наличие в предлагаемом устройстве вихретокового преобразователя 2 с двумя измерительными обмотками 4 и 7 специальной конфигурации, двух аналогоцифровых преобразователей 6 и 9, ПЗУ 11, блока 12 обнаружения границы периода и блока 13 подсчета числа периодов позволяет повысить точность измерения при фиксированном диапазоне перемещения и существенно увеличить диапазон измерения без увеличения абсолютной погрешности измерения перемещений. 1. Электромагнитное устройство для измерения перемешений, содержащее генератор высокой частоты, вихретоковый преобразователь, подключенный к генератору высокой частоты, два детектора, один из которых подключен к измерительной обмотке вихретокового преобразователя, и индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены два аналого-цифровых преобразователя, блок обработки сигналов аналогоцифровых преобразователей, вихретоковый преобразователь снабжен второй измерительной обмоткой, подключенной к входу второго детектора, входы аналого-цифровых преобразователей соединены с выходами соответствующих детекторов, блок обработки сигналов аналого-цифровых преобразователей включен между их выходами и индикатором.2. Устройство по п, 1, отличающеесятем, что блок обработки сигналов аналогоцифровых преобразователей выполнен в виде последовательно соединенных постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и блока обнаружения границ периода, блока под счета числа периодов, первый вход которогоподключен к выходу старшего разряда ПЗУ, второй вход соединен с выходом блока обнаружения границ периода, выходы ПЗУ и блока подсчета числа периодов составляют выход блока обработки сигналов аналогоцифровых преобразователей, входами которого являются входы ПЗУ.3 Устройство по пп. 1 и 2 отличающееся тем, что вихретоковый преобразователь выполнен в виде основания с па зами на торцовой поверхности основания,параллельного плоскости возбуждающей обмотки, охватывающей основание, пазы выполнены в виде периодической функции и сдвинуты один относительно другого на четверть периода этой функции, а измеритель ные обмотки лежат в пазах.1483246 ГОаиоЦа пРойаСоставитель К. Тавлинов Редактор И. Сегляник Техред И. Верес Корректор Э. Лончакова Заказ 2814/36 Тираж 683 Подп исное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР1 3035, Москва, Ж - 35, Рау шская наб., д. 4/5Производственно. издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101