Кодирующий преобразователь перемещения

(19) 01) 08 С 9/02 ЕНИЯ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕ ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Лысяторск ов е бюро Науч- ССР оения Н Аз. ет /О ьств 19 СР(71) Специальное констргеофизического приборосного центра "Геофизика"(54)(57). 1. КОДИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ, содержащий трансформатор напряжения, включающий основную вторичную обмотку с отводами и дополнительную вторичную обмотку, емкостный датчик с неподвижными крайними и подвижной средней пластинамии логический блок, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и упрощения преобразователя, в него введены два коммутатора,блок ключевых элементов, индикаторфазы и генератор тактовых импульсов,а основная вторичная обмотка выполнена с отводом в средней точке, выход генератора тактовых импульсовсоединен с тактовым входом логическо"го блока, одни управляющие выходы которого соединены с соответствующимивходами блока ключевых элементов,выходы которого соединены с отводамиосновной вторичной обмотки трансформатора напряжения, начало и конец которой соединены соответственно с первыми и вторыми входами первого и второго коммутаторов, третьи входы комму" таторов соединены с неподвижными крайними пластинами емкостного датчика,подвижная средняя пластина которогосоединена спервым входом индикаторафазы, выход индикатора фазы соединенс управляющим входом логического бло-ка, другие управляющие выходы которого соединены с четвертыми входамисоответствующих коммутаторов, второйвход индикатора фазы соединен с началом дополнительной вторичной обмотки трансформатора напряжения, конецкоторой и отвод средней точки основнойвторичной обмотки трансформатора напряжения подключены к общей шине. О2. Преобразователь по п.1, о т - Е л и ч а ю щ и й с я тем, что логический блок содержит группы элементов И, группы элементов ИЛИ, элементы И, триггеры разрядов и знака, регистр сдвига с (К+2) выходами и ин- ф дертор, выход которого соединен с первыми входами первого, второго элементов И и первой группой элементов И, выходы которых соединены с первыми входами первой группы элементов ИЛИ, выходы которых соединены с первыми входами триггеров разрядов, первые выходы триггеров разрядов соединены с первыми входами второй группы элементов ИЛИ, выходы которой и вторые выходы триггеров разрядов являются одними управляющими выходами логического блока, тактовый вход логическо- )ЭВ го блока соединен с входом инвертора, с первыми входами второй группы элементов И и третьего элемента И и входом регистра сдвига, первый выход регистра сдвига соединен с вторыми входами второй группы элементов ИЛИ1099320 и вторым входом первого элемента И,выход которого соединен с первымвходом триггера знака, выходы триггера знака являются другими управляющими выходами логического блока, управляющий вход логического блока соединен с третьим входом первого элемента И и вторыми входами первойгруппы элементов И,Х следующих выходов регистра сдвигасоединены с третьими входами первой группы элементовИ, вторыми входами второй группы эле 1Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и можетбыть использовано в технике линейныхи угловых измерений при сейсмических исследованиях. 5Известен преобразователь перемещения, содержащий емкостно-чувствительные элементы, высокочастотный генератор, соединенный с входом пороговогоустройства И ,1 ООднако известный преобразовательне обладает высокой точностью,Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является кодирующий преобразователь перемещения, 15содержащий трансформатор напряженияс первичной, основной вторичной идополнительной вторичной обмоткамии емкостной датчик с переменным зазором, причем основная вторичная обмотка выполнена с отводами, а емкостный датчик с переменным зазоромвыполнен с двумя крайними и однойсредней пластинами; подстроечныеконденсаторы, логический блок, включающий фазочувствительные детекторыи элементы НЕ и И, причем трансформатор напряжения соединен с емкостнымдатчиком по мостовой схеме, каждыйотвод трансформатора напряжения через ЗОсоответствующий подстроечный конденсатор соединен со средней пластинойемкостного датчика, крайние пластиныкоторого соединены с началом и концомосновной вторичной обмотки трансфор 1матора напряжения 2.Недостатками известного преобразователя являются низкая точность нз-занелинейности выходного кона от измементов И, выходы которых соединеныс вторыми входами триггеров разрядов,вторые выходы триггеров разрядов соединены с первыми входами третьей, группы элементов И, последний выход регистра сдвига соединен с вторыми входа.ми второго и третьего элементов И,выход третьего элемента И соединен свторыми входами третьей группы элементов И, а выход второго элемента Исоединен с вторыми входами первойгруппы элементов ИЛИ и триггером знака. ряемого перемещения и влияния внещнихвозмущающих факторов на параметры подстроечных конденсаторов и сложнаяконструкция, обусловленная.тем, чточисло отводов основной вторичной обмотки трансформатора напряжения, количество подстроечных конденсаторов,фазочувствительных детекторов и логи.ческих элементов возрастает прямо пропорционально числу градаций преобразователя измеряемого перемещения в цифровой код,Цель изобретение - повьпаение точности и упрощение кодирующего преобразователя перемещения.Поставленная цель достигаетсятем, что в кодирующий преобразовательперемещения, содержащий трансформаторнапряжения, включающий основную вторичную отмотку с отводами и дополнительную вторичную обмотку, емкостныйдатчик с неподвижными крайними и подвижной средней пластинами и логический блок, введены два коммутатора,блок ключевых элементов, индикаторфазы и генератор тактовых импульсов,а основная вторичная обмотка выполнена с отводом в средней точке, выходгенератора тактовых импульсов соединен с тактовым входом логического блока, одни управляющие выходы которогосоединены с соответствующими входамиблока ключевых элементов, выходы которого соединены с отводами основнойвторичной обмотки трансформатора нап,ряжения, начало и конец которой соединены соответственно с первыми ивторыми входами первого и второгокоммутаторов, третьи входы коммутато1099320ров соединены с неподвижными крайними пластинами емкостного датчика, подвижная средняя пластина которого соединена с первым входом индикатора фазы, выход индикатора фазы соединен 5 с управляющим входом логического блока, другие управляющие выходы которого соединены с четвертыми входами соответствующих коммутаторов, второй вход индикатора фазы соединен с нача лом дополнительной вторичной обмотки трансформатора напряжения, конец которой и отвод средней точки основной вторичной обмотки трансформатора напряжения подключены к общей шине. 15Логический .блок содержит группы элементов И, группы элементов ИЛИ, элементы И, триггеры разрядов и знака, регистр сдвига с (К+2) выходами и инвертор, выход которого соединен 2 п с первыми входами первого, второго элементов И и первой группой элементов И, выходы которых соединены с первыми входами первой группы элементов ИЛИ, выходы которых соединены с 2 первыми входами триггеров разрядов, первые выходы триггеров разрядов соединены с первыми входами второй группы элементов ИЛИ, выходы которой и вторые выходы триггеров разрядов являются одними управляющими выходами логического блока, тактовый вход логического блока соединен с входом инвертора, с .первыми входами второй группы элементов И и третьего элемен 35 та И и входом регистра сдвига, первый выход регистра сдвига соединен с вто-, рыми входами второй группы элементов ИЛИ и вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом триггера знака, выходы триггера знака являются другими управляющими выходами логического блока, управляющий вход логического блока соединен с третьим входом первого элемента И и вторыми входами первой группы элементов И,к следующих выходов регистра сдвига соединены с третьими входами первой группы элементов И, вторыми входами второй группы элементов И, выходы которых соединены с вто50 рыми входами триггеров разрядов, вторые выходы триггеров разрядов соединены с первыми входами третьей груп- пы элементов И, последний выход регистра сдвига соединен с вторыми входами второго и третьего элементов И, выход третьего элемента И соединен с вторыми входами третьей группы элементов И, а выход второго элемента Исоединен с вторыми входами первойгруппы элементов ИЛИ и триггеромзнака.На чертеже приведена функциональная схема кодирующего преобразователя. перемещения.Преобразователь содержит трансформатор 1 напряжения с первичной 2, основной вторичной 3 и дополнительнойвторичной 4 обмотками, емкостнойдатчик 5 с неподвижными крайними 6и 7 и подвижной средней 8 пластинами,коммутатор 9, блок 10 ключевых элементов, электронные ключевые элементы 11-1 - 11-К - 11-2-К, коммутатор12, индикатор 13 фазы, генератор 14тактовых импульсов, логический блок15, включающий элементы ИЛИ 16-116-К, триггера 17-1 - 17-К разрядов,триггер 18 знака, элементы И 19-19-К, элемент И 20, элементы ИЛИ21-1 - 21-К, элементы И 22-1 - 22-К,элемент И 23, элементы И 24-1 - 24-К,элемент И 25, инвертор 26,.регистр 27сдвига, общую шину 28,Основная вторичная обмотка 3 трансформатора 1 напряжения предназначенадля выработки напряжения, уравновешивающего напряжение на подвижной срепней пластине 8 емкостного датчика 5.Она выполнена со средней точкой, подключенной к общей шине 28, причем верхняя и нижняя половины обмотки состоятиэ согласно включенных секций, заключенных между каждыми двумя соседними отводами.Блок 10 ключевых элементов с электронными ключевыми элементами 11 предназначен для управления числом включенных секций соответственно верхнейи нижней полуобмоток основной вторичной обмотки 3. Коммутаторы 9 и 12 предназначены для подключения конца и начала основной вторичной обмотки 3 соответственно к неподвижным краиним пластинаР 6 и 7 емкостного датчика 5 или наоборот, в зависимости от знака текущего значения измеряемого перемещения. /Индикатор 13 фазы предназначен для определения сдвига фаз напряжения на подвижной средней пластине 8 емкостного датчика 5 относительно напряжения дополнительной вторичной обмотки 4 на 1801 О Генератор 14 тактовых импульсовиспользуется для выборки частоты сле-дования импульсов.Инвертор 26 логического блокапредназначен для формирования временной задержки, необходимой для окон.чания переходных процессов, возникающих при коммутации секций основнойвторичной обмотки 3 трансформатора 1напряжения.Триггер 18 знака необходим дляуправления коммутаторами 9 и 12 иформирования результата измерения знака текущего значения измеряемого перемещения. 15Триггеры 17 разрядов, элементыИ 19, 20 23, 24, 25, элементы ИЛИ 16и 21, и регистр 27 сдвига предназначены для управления процессом форми-.рования цифрового кода текущего значения измеряемого перемещения,Элементы И 22 служат для разрешения считывания цифрового кода результата преобразования текущего значенияизмеряемого перемещения. 25Уравновешивающее напряжениеформируется противофазной коммутациейэлектронных ключевых элементов 11,шунтирующих соответствующие секцииверхних и нижних половин основной З 0вторичной обмотки 3. Определениезнака перемещения при этом осуществляется в первом такте каждого цикла. измерения подключением всей основнойвторичной обмотки к неподвижным край.зним пластинам 6 и 7 емкостного датчика 5 и сравнением фазы напряжения наподвижной средней пластине 8 емкостного датчика 5 с фазой напряжения надополнительной вторичной обмотке 4. 40Считывание результатов преобразовайияосуществляется в последнем такте каж-дого цикла преобразования.Число секций как в верхней, так ив нижней полуобмотках основной вторичной обмотки 3 выбирается равным требуемому числу разрядов цифрового преобразования, а соотношение витковсекций в каждой полуобмотке выбирается в зависимости от принятого мето да кодирования.Работа кодирующего преобразователя перемещения основана на преобразовании,измеряемого перемещения в напряжение на подвижной средней пластине 8 емкостного датчика 5 с дискретным уравновешиванием этого напряжения с помощью напряжения на основной вторичной обмотке трансформаторанапряжения при выполнении условияпостоянства суммы напряжения ее верхней и нижней полуобмоток,Кодирующий преобразователь перемещения работает следующим образом.В исходном состоянии все триггеры 17 разрядов и триггер 18 знакаустанавливаются в состояние логического О на прямых выходах и всостояние логической "1" на инверс.ных выходах, электронные ключевыеэлементы 11-1 - 11-К разомкнуты,а электронные ключевые элементы11-(К+1) - 11-2 К замкнуты, коммутатор 9 подключает конец основнойвторичной обмотки 3 к неподвижнойкрайней пластине 6 емкостного датчика 5, а коммутатор 12 подключаетначало основной вторичной обмотки 3к неподвижной крайней пластине 7емкостного датчика 5, регистр 27сдвига устанавливается в состояниелогической "1" на последнем выходеи в состояние логического "0" на остальных выходах.С приходом первого тактового импульса с генератора 14 тактовых импульсов в логический блок 15 на первом выходе регистра 27 сдвига появляется логическая "1", все остальныевыходы имеют состояние логического 0".Сигнал с первого выхода регистра 27сдвига поступает на первые входыэлементов ИЛИ 16, с .выхода которыхпоступает на управляющие входы электронных ключевых элементов 11-(К+1)11-2 К блока 10 ключевых элементови размыкает их. Таким образом, к неподвижным крайним пластинам 6 и 7емкостного датчика 5 подключена всяосновная вторичная обмотка 3 на время действия сигнала с первого выхода регистра 27 сдвига. После окончания первого импульса с генератора 14тактовых импульсов на выходе инверто 11 а 26 формируется импульс, которыйодновременно с импульсом на первомвыходе регистра 2 сдвига подаетсясоответственно на второй и третийвходы элемента И 25, на первый входкоторого подается сигнал с выхода индикатора 13 фазы. Если на выходе индикатора 13 фазы логический "0", товыход элемента И 25, подключенный кпервому входу триггера 18 знака,не изменяет состояния триггера 18знака и коммутаторы 9 и 12 - в исходном состоянии. При этом на знаковомвыходе преобразователя (прямом выходе триггера 18 знака) логический "0, что соответствует знаку + измеряемого перемещения и указывает на то, что средняя пластина 8 ем костного датчика 5 находится выше среднего положения.Если на выходе индикаторы 13 фазы логическая "1" (фаза напряжения на средней пластине 8 емкостного датчика 5 и фаза напряжения на дополнительной вторичной обмотке 4 имеют сдвиг 180 ), то на выходе элемента И 25Опоявляется логическая и изменяет состояние триггера 18 знака на проти воположное. Коммутатор 9 подключает начало основной вторичной обмотки 3 к крайней пластине 6 емкостного датчи. ка 5, а коммутатор 12 подключает конец основной вторичной обмотки 3 к 20 крайней пластине 7 емкостного датчика 5. На знаковом выходе преобразователя появляется логическая 1 , что соответствует знаку "-" измеряемого перемещения. При этом средняя пластина 8 емкостного датчика 5 находится ниже среднего положения. На этом первый такт преобразования - определение знака-заканчивается и знак на выходе преобразователя сохраняется в 30 течение всего цикла преобразования.С приходом второго тактового импульса с генератора 14 тактовых импульсов логическая появляется на втором выходе регистра 27 сдвига (остальные выходы регистра 27 сдвига имеют состояние логического "0"), который через элемент И 19-1 устанавливает триггер 17-1 первого разряда в состояние логической "1" на прямом выходе и в состояние логического "0" на инверсном выходе. Триггеры 17-2 - 17-К остальных разрядов остаются в исходном состоянии, При этом импульсом логической "1" через элемент 45 ИЛИ 16-1 размыкается первый электронный ключевой элемент 11-(К+ 1) блока 10 ключевых элементов. Одновременно замыкается первый электронный клю;чевой элемент 11-1 блока 10 ключевых элементов, подключенный к инверсному выходу триггера 17-1 первого разряда. Все электронные ключевые элемен. ты 11-(К+2) . - 11-2 К блока 1 О ключевых элементов оказываются в замкнутом 55 состоянии, а все электронные ключевые элементы 11-2 К - 11-К блока 10 ключевых элементов - в разомкнутом состоянии. При этом в нижней полуобмотке основной вторичной обмотки 3включена только первая секция, соответствующая первому старшему разрядууравновешивающего напряжения П ав верхней полуобмотке основной вторичной обмотки 3 включены все секции,кроме первой (старшего разряда). После окопчания второго тактового импульса производится сравнение напряженияП с напряжением П на средней пластине 8 емкостного датчика 5. ЕслиП,ПАВ , т.е, напряжения старшегоразряда уравновешивающего напряжениянедостаточно для уравновешиваниянапряжения Б 2 то на выходе индикатора 13 фазы в момент окончания второготактового импульса устанавливаетсялогический "0" и триггер 17"1 первого разряда остается в состоянии логической "1" на прямом выходе (логического "0" на инверсном выходе) напротяжении всего цикла преобразования. Если П ъ 02, т.е, напряжение перваго старшего разряда уравновешивающего напряжения больше требуемогозначения уравновешивающего напряжения, то на выходе индикатора 13 фазыв момент окончания второго тактового импульса устанавливается логическая " 1", которая через элемент И 24-1и элемент ИЛИ 21"1 устанавливаеттриггер 17-1 первого разряда в состояние логического "0" йа прямом выходе и в состояние логической "1" наинверсном выходе и через элементИЛИ 6-1 замыкает первый электронныйключевой элемент 11-(К+1) блока 1 Оключевых элементов. Одновременно первый электронный ключевой элемент11-1 блока 10 ключевых элементов размыкается. С приходом третьего тактового импульса с генератора 14 тактовых импульсов логическая "1" появляется на третьем .выходе регистра 27 сдвига, и с помощью триггера 17-2 второго разряда размыкает второй электронный ключевой элемент 11-(К+2) блока 10 ключевых элементов и замыкает второй электронный ключевой элемент 11". 2. При этомв нижней полуобмотке основной вторичной обмотки 3 включается вторая секция, соответствующая второму Разряду уравновешивающего напряжения 09 , а в верхней полуобмотке основной вторичной обмотки 3 отключается (закорачивается) вторая секция.Поэтому с приходом третьего тактового импульса управновешивающее напряжение в нижней полуобмотке равно1 1 2 2 где а 1 и а 2 - переключательные коэффициенты, которые могут принимать значения"0" или "1".1 ОКоэффициент а 1 был определен послевторого тактового импульса, причема=1 соответствует включенному состоянию первой секции нижней полуобмотки (триггер 17-1 первого разряда находится в состоянии логической "1"на прямом выходе), а =0 соответствуетвыключенному состоянию первой секциинижней полуобмотки (триггер 17-1 первого разряда находится в состояниилогического "О" на прямом выходе). Вмомент окончания третьего тактовогоимпульса, если а 0, +а 0 02 то навыходе индикатор 13 фазы устанавлива ется логический "0" 1 и триггер 17-2второго разряда остается в состояниилогической "1" на прямом выходе, т.е,а 2=1, а если а 0 О, +а 200 то навыходе индикатор 13 фазы устанавливается логическая "1" и триггер 17-2второго разряда устанавливается в ЗОсостояние логического "О" на прямомвыходе, т,е. а 2 становится равным нуаю,Аналогично, с приходом каждогоочередного тактового импульса состоя" 35ние логической "1" на прямом выходеустанавливается в соответствующемтриггере 17 разряда, а после окончания очередного тактового импульса взависимости от состояния на выходе 4 Оиндикатора 13 фазы соответствующий триггер остается в этом состоянии или переходит в инверсное состояние. При этом соответствующие коэффициенты а; где 1 - номер тактового импульса в данном цикле преобразований, принимают соответственно значение ф 1 ф 10 фТаким образом , после окончания предпоследнего тактового импульса данного. цикла преобразования процесс формирования уравновешивающего напряжения завершает с я и уравновешиваемое напряжение 02 преобразуется в цифро вой код ЯравныйЩЯ = а 101:1где 3 - номер разряда;ш . - число разрядов.С приходом последнего тактового импульса данного цикла преобразования на последнем выходе регистра 27 сдвига появляется логическая "1", элементы И 22 через элемент И 20 открываются и цифровой код уравновешивающего напряжения М через элементы И 22, а также код знака с прямого выхода триггера 18 знака подаются на вы. ход преобразователя. В момент окончания последнего тактового импульса на выходе инвертора 2 появляется логическая "1", которая через элемент И 23 и элементы ИЛИ 21-1 - 21-К устанавливает триггер 18 знака и все триггеры 17-1 - 17-К разрядов в исходное состояние. На этом цикл преобразования заканчивается.Экономический эффект от использования предлагаемого кодирующего преобразователя перемещения определяется его техническими преимуществами.1099320 Составитель Б. Барбарактор И.Касарда Техред М,Гергель Корректор А. Тяск Подписное тета С ткрытии ая наб., д илиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная,аказ 4374/40ВНИИПпо113035,Тираж 569Государственного келам изобретений иМосква, Ж, Раушс