Устройство для измерения быстроменяющихся неэлектрических величин

СОЮЗ СОВЕТСКИХсоциАлистических9) (1 О РЕСПУБЛИК 5 601 РЗ/5 ТЕЛЬСТВУ К АВТОРСКОМУ С ьнозмеин сится к контрол е, конкретно к ических велич чиками.я является экономия ка питания за счет ии их измеряемого ункциональных возструктурная схемоленоидный датчи ерения быстроменях величин содержит и измерительный еноидный датчик 1 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕ(71) Пензенский политехнический институт (72) Е.П. Осадчий, В.И, Гончар и А.Н.Николаев (53) 681,2.531.7 (088,8)(56) Гончаров И. Особенности расчета функций преобразователя взаимоиндуктивных преобразователей датчиков соленоидного типа.Датчики систем измерения контроля и управления. Межвузовский сб, науч. тр.Пенза, Пензенский политехн. ин-т, 1985, с. 37-42.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БЫСТРОМЕНЯЮЩИХСЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН(57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и предназначено для измерения быстроменяющихся неэлекИзобретение отноизмерительной техникрениям неэлектрипараметрическими датЦелью изобретениэнергоресурса источнииспользования энергобъекта, расширение фможн остей.На фиг, 1 приведенустройства; на фиг. 2 -устройства.Устройстводля измющихся неэлектрическсоленоидный датчикпреобразователь 2. Со трических величин. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и экономия энергоресурса источника питания за счет использования энергии перемещаемого объекта измерения. При перемещении ферромагнитного сердечника с расположенными на нем постоянными магнитами на дополнительной обмотке, являющейся составной частью генераторной части датчика,индуктируется ЭДС, которая прикладывается к обмотке питания параметрической части датчика. На выходе датчика формируется аналоговый сигнал, пропорциональный скорости перемещения ферромагнитного сердечника. Измерительный преобразователь осуществляет обработку сигналов датчика и формирование на ф выходах устройства сигналов, пропорциональных перемещению и скорости измеряемого объекта. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. снабжен обмоткой 3 питания, измерительной обмоткой 4, состощей из двух соединенных последовательно встречно полуобмоток, дополнительной индукционной обмоткой 5 и жестко связанным с измеряемым объектом ферромагнитным сердечником 6, на концах которого установлены постоянные магниты 7 и 8, являющиеся источником постоянного магнитного поля, направленного вдоль оси соленоидного датчика 1.Измерительный блок 2 устройства снабжен выпрямителем 9, вычитающим блоком 10, первым и вторым фазочувствительными выпрямителями 11 и 12, логометрическим преобразователем 13, блоком 14 реверсив50 55 ного счета и образцовым резистором 15. Обмотки 3 - 5 соленоидного датчика размещены на полом цилиндрическом диэлектрическом каркасе 16 внутри цилиндрического ферромагнитного экрана 17, а ферромагнитный сердечник 6 на торцах имеет цилиндрическиеполюсные наконечники 18 и 19, размещен внутри каркаса 16 так, что обеспечена воэможность перемещения ферромагнитного сердечника 6 внутри каркаса 16.На внешней поверхности каркаса 16 по длине расположены окружные пазы 20, имеющие в профиле форму полупериода синусоиды. В пазах 20 уложена дополнительная обмотка 5, участки которой, размещенные в соседних пазах, соединены между собой последовательно встречно. Обмотка 3 питания соленоидного датчика 1 выполнена с равномерным распределением витков вдоль оси каркаса, а каждая из половин измерительной обмотки 4 имеет от середины каркаса 21 к его краям линейно распределенное число витков во взаимопротивоположных направлениях.Устройство работает следуощим образом.Постоянные магниты 7 и 8 создают в магнитной цепи устройства постоянный магнитный поток, замкнутый в направлении, показанном на фиг, 2 пунктирной линией. При этом постоянный магнитный поток охватывает часть витков индукционной обмотки 5, часть витков обмотки питания 3 и часть витков измерительной обмотки 4.При перемещении обьекта происходит изменение разности между числами встречно включенных витков участков индукционной обмотки 5, охваченных постоянным магнитным потоком, в соответствии с зави- СИМОСТЬЮЬйбн =Мlин.п. зп жХп е(1)ХпГдв Чжин,п, - ЧИСЛО то В ОДНОМ Пазв 20 индукционной обмотки 5;Хп - максимальная длина паза 20 вдоль диэлектрического каркаса 16,Хп(е) - значение измеряемого перемещения.8 результате в индукционной обмотке 5 ИНДУКтИРУЕтСЯ ЭДС Еин, ЗкаЧЕНИЕ КОтОРой определяется зависимостью 1 ин - Ф к %, бхХп Хп бе или при б Хп 1 ХпД)Р)бе е еин = - Х Ф: Мин,п, соз ( Х ЧсЕ )Чс, (4) Ж Л Хп Хп Где Ф значение постоянноГО МВГнитнОГО потока;Чс - значение скорости перемещения ферромагнитного сердечника 2.Из вь.ражения (4) видно, что индуктируемая в индукционной обмотке 5 ЭДС еин является гармоническим сигналом и ее значение определяется скоростью движения обьекта. При этом О скорости перемещения объекта можно судить как по амплитуде ЭДС, так и по частоте ее изменения. По числу полупериодов ЗДС еин можно судить о значении измеряемого перемещения, так как один полупериод соответствует смещению подвижного элемента на длину одного паза, в которой уложена часть витков индукционной обмотки. Постоянное магнитное поле при движении ферромагнитного сердечника не индуктирует ЭДС в обмотке питания 3, так как не происходит изменения числа витков, охваченных постоянным магнитным полем, ввиду равномерного распределения числа ее витков вдоль оси каркаса 16,По обмотке 3 питания протекает ток Ь, значение которого с учетом выражения (4) определяется следующим образом ОФ.Мин.п,соз шеВо + Йп +) Жи где йо - значение сопротивления образцового резистора 15,Яп - значение активного сопротивления обмотки 3 питания;Ко = -Чс - значение частоты тока питания;Ь - значение индуктивности обмотки 3 питания.Тогда значение напряжения Око на образцовом резисторе 15 определится выражени- ем Ж Ф,Вин,п, ЙоЧв - + +. соз (ае). (6) Значение напряжения О, падающего в цепи, состоящей из последовательно соединенных обмотки 3 питания и образцового резистора 15, с учетом выражения (4) может быть представлено в видеО ФФин,п,До + ВпЙо + Йп + ) ц 1 иИ-ФМинп, п., 1 ) Во + йп + ) 0 Ь.Х соз (ае).Первый фазочувствительный выпрямитель 11 выделяет квадратурную относительно напРЯжениЯ Чво, пРиложенного к его4-и = гВА (, (13) уктируемая в измеритель-. 55 и перемещении ферромагдеч ника определится Ю Я 4Тогда ЭДной обмоткнитного С, ин е 4,п серуправляющему входу, составляющую напряжения О, приложенного к его основномувходу.Тогда с учетом выражений (б) и (7) напряжение 011 на выходе фазочувствительного выпрямителя 11 определитсяследующим образомЧ-К" (6)Йо + Йп + ) И Ьгде К 11 - коэффициент передачи первого10фазочувствительногоо выпрямителя 11.Ток 1 п, протекающий в обмотке 3 питания, создает переменный магнитный потокФ, преобладающая часть которого замкнута по тому же пути, что и постоянныймагнитный поток Ф. вследствие незначительного магнитного сопротивления этогопути. В результате витки измерительной обмотки охвачены суммарным магнитным потоком Ф, состоящим из двух составляющихФ, =Ф+Ф, (9)при этомВ(1 и(10)2 ой25где Юп - число витков обмотки 3 питания,охваченных преобладающей частью переменного магнитного потока;2 м - магнитное сопротивление на путипреобладающей части переменного магнитного потока,Число витков измерительной обмотки 4,охваченных суммарным магнитным потоком соответственно для одной Ю 4-1 и другойЧЧ 4-11 ее половин описывается выражениями 35по. = и. и + - х И 1),( - Х" (, ( г)где Ю 4-1 и В/4-11 - число витков одной и другой половин измерительной обмотки 4, охваченных суммарным магнитным потоком;ЧЧо - число витков одной из половинизмерительной обмотки 4, охваченных суммарным магнитным покотом Ф при Хи = 0; 45Хм - максимальное значение измеряемой величины,С учетом последовательно встречного соединения измерительных полуобмоток суммарное число витков измерительной обмотки 504, охваченное суммарным магнитным потоком, определится следующим образом(,г, -2",) =О, (18) что может быть достигнуто, например, подбором при настройке устройства коэффициента передачи выпрямителя 9, имеему 2 фо фи2 М ХМ Х Х Во+ Йп+) 1 п б Хп 1 2 ВlоЧп бт 2 М19) Х ХХМ Йо + Рп +)ХХп (т).Первый фазочувствиттель 11 выделяет квадрату ьный в ную отн прями- ительИли с учетом выражений (5,:, (9), (10), (13) и (14) имеембИ/оФ,.+ Феиз -ббВ.Фб(У ФобС . б 1ах.1"ХМ б 1В,о В/и 12 М Хм (15)и Ф,оопп и сов ( и 1Во+Вп+) Ф ибхп (т ) фо Вфпб 1 2 к1 м Ф,оопп.п. Зп(шХМ - Во+ Яп+) Ш 1 пХ Хп (т),На выходе выпрямителя 9 имеем напряжение 09, которое с учетом соотношения (2) определяется какЛ бХ 1Ч 9 = -К 9 т- Ф Мин.п.б т(16)Тогда на выходе вычитающего блока 10 имеем напряжение, которое с учетом выражений (15) и (16) определяются следующим образомно напряжения Чво, приложенного к его управляющему входу, составляющую напряжения 01 о, приложенного к его основному входу. Тогда с учетом выражений (6) и (19) напряжение 011 на выходе фазочувствительного выпрямителя 11 определится следующим образомф ф"Х ф-и" и . Х(,)где К 11 - коэффициент передачи фазочувствительного выпрямителя 11,Напряжение на выходе логометрического преобразователя 13 с учетом выражений (8) и (20) определится какз = К з 11 = 2 К 12 Кц Х1 з Ч 12 Ки (2)Х ф 0"и .Х(,)у. . Х игде К 1 з - коэффициент передачи логометрического преобразователя 13.Тогда, приняв во внимание соотношение21 п (22) с учетом выражения (21), имеемОтсюда следует, что напряжение на выходе логометрического преобразователя 6 пропорционально значени,о измеряемой неэлектрической величины, в частности перемещению Хп(т) объекта.Напряжение с выхода первого фазочуствительного выпрямителя 11 подается на управляющий. вход и блока 14 реверсивного счета, который, если знак напряжения 011 положительный, суммирует число периоДов и ЭДС еин, подключенной к его основному входу.Если знак напряжения 011 отрицательный, то блок 14 реверсивного счета вычитает число периодов и ЭДС еин, подключенной к его основному входу,Выходной сигнал блока 14 реверсивного счета определится соотношением-1, при Хп(1)О еи 1(1 + Х, с- наибольшее целоеХп число, не превосходящее отношение Хп 11Хп5 1 О 15 блоков, так как их присутствие не является ЗО 35 40 45 50 55 Естественным условием нормального функционирования логических элементов, на которых может быть реализована схема цифровогоо блока 14 реверсивного счета и электронных клВчей, обычно имеющихся в схемах фазочувствительных выпрямителей 11, 12, является предварительное формирование электрических уровней сигналов (импульсов) управления.Формирователи электрических уровней сигналов управления являются неотъемлемой частью укаэанных блоков устройства. На фиг. 1 данные формирователи сигналов управления не указаны в виде отдельных принципиально необходимым, а носит вспомогательный характер, служит обеспечению надежности и точности функционирования отдельных блоков устройства.Следует также отметить, что в качестве обмотки 2 питания в устройстве в некоторых случаях может быть использована непосредственно дополнительная обмотка 5 соленоидного датчика 1 (при достаточном количестве витков индукционной обмотки 5, размещаемых в пазе 20),Формула изобретения 1. Устройство для измерения быстроменяющихся неэлектрических величин, содержащее измерительный преобразователь и соленоидный датчик, снабженный обмоткой питания и измерительной обмоткой, которые размещены внутри цилиндрического ферромагнитчого экрана на полом цилиндрическом каркасе, внутри которого расположен жестко связанный с измеряемым объектом ферромагнитный сердечник, причем обмотка питания соленоидного датчика выполнена с равномерным распределением витков вдоль оси каркаса, а измерительная обмотка состоит из двух соединенных последовательно встречно секций, имеющих линейно распределенное от середины каркаса к его краям число витков во вэаимнопротивоположных направлениях, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и экономии энергоресурса источника питания, Соленоидный датчи устройства снабжен дополнительной обмоткой, в торцах ферромагнитного сеодечника установлены постоянные магниты с цилиндрическими полюсными наконечниками, по длине каркаса на его внешней поверхности выполнены окружные пазы, имеющие в профиле форму полупериода синусоиды, в которых уложена дополнительная обмотка, причем расположенные в соседних пазах участки дополни 1677640тельной обмотки соединены между собойпоследовательно встречно. 2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что измерительный преобразователь содержит соединенные с общей шиной выпрямитель, вычитающий блок, первый и второй фазочувствительные выпрямители, логометрический преобразователь, блок реверсивного счета и образцовый резистор., первый вывод обмотки питания соленоид- ного датчика соединен с первым выводом дополнительной обмотки, с входом выпрямителя, с входом второго фазочувствительного выпрямителя, с входом блока реверсивного счета, с вторым выходом измерительного преобразователя, э первый вывод измерительной обмотки подсоединен к одному входу вычитающего блока, другой вход которого соединен с выходом выпрямителя, вторые выводы дополнительной и измерительной обмоток соленоидного дагчика подсоединены к общей шине, второй вывод обмотки питания соленоидного 5 датчика подсоединен к управляющему входу первого и второгафазочувствительных выпрямителей и через образцовый резистор к общей шине, выход вычитающего блока соединен с входом первого фазочув ствительного выпрямителя, выход которогосоединен с управляющим входом блока реверсивного счета и одним входом логометрического преобразователя, другой вход которого соединен с выходом второго фазо чувствительного выпрямителя, выход логометрического преобразователя является первым выходом измерительного преобразователя, третий выход измерительного преобразователя соединен с выходом блока 20 реверсивного счета.1677640 Составитель М. Тихоноведактор О. Спесивых Техред М.Моргентал Ко р М Кучерявая дказ 3112 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113 о 35, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарин