Трансформаторный преобразователь перемещений

(50 4 б 01 В 7 ЮО ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Отдел физики и математики Башкирского филиала АН СССР(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве преобразователя перемещений в системах управления подвижными обьектами. Цель изобретения - повышение точности преобразования и расширение функциональных возможностей. Она достигается введением функциональных блоков и связей между ними, обеспечивающих независимость выходного сигнала устройства от нерабочих смегцений якоря, а также получением на выходе устройства при помоши ключа 17, управляемого через инвертор 25 сигналом с выпрямителя 24, сигнала о выходе якоря за пределы допустимых рабочих смешений. 4 ил,Изобретение относится к измерительной технике и может оыть использовано в качестве преобразователя перемещений в системах управления подвижными объектами.Цель изобретения -- повышение точности преобразования за счет снижения чувствительности к нерабочим смещениям якоря, а также расширение функциональных возможностей устройства за счет формирования специального выходного сигнала, фиксирующего факт выхода якоря за пределы допустимой зоны нерабочих смещений.На фиг. 1 приведена блок-схема трансформаторного преобразователя перемещений; на фиг, 2 - конструктивное выполнение преобразователя; на фиг. 3 - вид А на фиг, 2; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 2.Преобразователь содержит первый трансформаторный датчик 1, электрическая схема которого включает в себя обмотку 2 возбуждения, пару встречно соединенных между собой первой 3 и второй 4 измерительных обмоток, а также пару согласно соединенных первой 5 и второй 6 индикаторных обмотОк, второй трансформаторный датчик 7, схема которого включает обмотку 8 возбуждения, пару соединенных встречно третьей 9 и четвертой 1 О измерительных обмоток, а также пару согласно соединенных третьей 11 и четвертой 12 индикаторных обмоток, образцовую меру 13 посредством которой первая 2 и вторая 8 обмотки возбуждения, соединенные согласно, подключены к общей шине, шину 14 питания, к которой подключены обмотки 2 и 8, управляемый усилитель 15, к сигнальному входу которого подключены согласно включешые пары измерительных обмоток 3, 4 и 9,О, первый выпрямитель 16, включенный между образцовой мерой 13 и управляющим входом усилителя 15, ключ 17, сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя 15, схема 18 сравнения, входы которой подключены к выводам первой 3 и второй 4 измерительных обмоток, первый 19 и второй 20 сумматоры, первые входы которых соединены с образцовой мерой 13, а вторые соответственно - с первой 5 и 6 и второй 11 и 12 парами индикаторных обмоток, первый 21 и второй 22 пороговые элементы, входы которых соединены соответственцо с выходами первого 19 и второго 20 сумматоров, элемент ИЛИ 23, входы которого подключены к выходам сумматоров 21 и 22, второй выпрямитель 24, включенный ца выходе элемента ИЛИ 23, инвертор 25, включенный между выходом выпрямителя 24 и управляющим входом ключа 17, резистор 26, включенный между выходом выпрямителя 24 и выходом ключа 17, и выходная шина 27, соединенная с выходом ключа 17.Конструктивно трансформаторный преобразователь перемещений состоит из якоря 28, первого сердечника 29 со стержнями 30, на котором расположена обмотка 3 и 31, на котором расположена обмотка 2 и 32, на котором расположена обмотка 4, второго сердечника 33 со стержнем 34, на котором расположена обмотка 9, стержня 35, на котором расположена обмотка 8, и стержня 36, на котором расположена обмотка 10, обмотки 5, 6 и 11, 12 расположены между стержнями соответственно 30 - 32 и 34 - 36.Устройство работает следующим образом.В изображенном (фиг. 2) положенииякоря 28, выполненного в форме параллелепипеда, его геометрический центр совмещен с началом неподвижной системы координат 15 Оху, где х - ось контролируемых перемещений, у и г - оси нерабочих поперечных смещений. Верхняя (фиг. 2) грань якоря 28 образует с торцами первого 29 и второго 33 сердечников номинальный зазор ВЦепь, состоящая из последовательно 20 включенных первой 2 и второй 8 обмотоквозбуждения, а также образцовой меры 13, запитывается переменным напряжением с постоянной амплитудой и частотой, прикладываемым к шине 14 питания относительно 25 общей шины.Г 1 о этой цепи протекает переменный ток1 в -- г 21 з 1 п (шт+ Ф.)где 1, - действуюгцее значение тока 1;т.д = 2 Я(.1 - время;30 Б - фаза, определяемая соотношением суммарной индуктивности 1 первой 2 и второй 8 обмоток возбуждения и активных сопротивлений указанных обмоток, а также активного сопротивления К, об разцовой меры 13.Якорь 28 образует с первым 30 и вторым 31 стержнями первого сердечника 29 зазоры магнитной проводимости С, со вторым 31 и третьим 32 стержнями зазоры маг нитной проводимости б с четвертым 34 ипятым 35 стержнями второго сердечника 33 зазоры магнитной проводимости 6, с пятым 35 и шестым 36 стержнями зазоры магнитной проводимости (з,. Магнитная проницаемость материалов сердечников 29 и 30 45 и якоря 28 намного превышает магнитнуюпроницаемость воздуха, поэтому практически величина (дц является магнитной проводимостью цепи первой измерительной обмотки 3, величина 6 - магнитной проводимостью цепи второй измерительной обм ки 4, величина 621 - магнитноймостью цепи третьей измерительцоц обмотки 9 и величина 6 - магнитной проводимостью цепи четвертой измерительной обмотки 1 О.За исходные положения якоря 28 приняты такие, при которых его геометрический центр ( центр па ралл елепи п еда ) им еет коор 1357693динату х = О, т. е. расположен в точках плоскости О,. Перемещения центра якоря 28 вправо относительно плоскости О . соответствуют правому (0 х+ х), а перемещения влево - левому ( - хх 0) поддиапазонам преобразования, Зависимости магнитных проводимостей 66, 6, 6 от координат х, оси контролируемых перемещений в пределах диапазона преобразования - х,(х(+химеют линейный характер.Рассмотрим перемещения якоря 28 вдоль оси х при каком-либо постоянном значении координаты г = сопзг его центра, например при к = О, когда зазор ю, образуемый верхней гранью якоря 28 и торцами сердечников 29 и 33 равен номинальному Б =ЬЕсли из указанного исходного положения якорь 28 перемещается строго вдоль оси х вправо (движение центра якоря 28 происходит по прямой (х, у = О, г = 0), то зазоры, образованные якорем 28 с третьим 32 и шестым 36 стержнями, уменьшаются, а зазоры, образованные якорем 28 с первым 30 и четвертым 34 стержнями, увеличиваются. Следовательно, величины проводимостей 6 , 6, возрастают линейно в пределах диапазона преобразования, а величины проводимости 6 бубывают. Прц движении якоря 28 влево по оси , из указанного исходного положения хцрцкте 1) цзчсцеция данных проводимостей ц чсцгцтся ца обратный, чему соответстц с г изчецецие ца 180 фазы выходного напряжения двух последовательно включенных пар измерительных обмоток 3 4, 9 и 10. Симметричность расположения якоря 28 относительно сердечников 29 и 33 при отсутствии смещений его центра вдоль оси у обусловливает справедливость равенств: 6 = 6 г 6 = 6 для рассматриваемого случая перемещения центра якоря 28 по прямой (х, ч = О, 7. = - сопв( = - О) .При этом суччарцая индуктивность обмоток 2 и 8 в пределах диапазона преобразования остается неизменной. Действхцощее значение 1, тока в цепи обмоток 2 и 8 возбуждения также постоянно.Если якорь 28, сохраняя координату свое го центра к = сопз( = О, сначала смещается из положения (х = О, у = О, г = 0) вдоль оси (и тогда значение у становится отличным от нулевого), а затем из этого нового исходного положения, показанного на фиг. 2 штриховым контуром (у 0), начинает движение вдоль оси х по линии (х, у 0, 7. = =сопз 1 = 0), то в пределах диапазона преобразования значения магнитных проводимостей 6, 6, увеличиваются, а значения магнитных проводимостей 6, 6 уменьшаются сравнительно с их же значениями (для одинаковых координат х) при рассмотренном движении якоря 28 по прямой (х, у = О, г = сопзт = 0), Такой характер приращений магнитных проводимостей обусловлен тем,5 10 5 20 25 30 35 40 45 50 55 что в случае смещения у 0 центра якоря 28(фиг. 2) якорь 28 приближается к первомусердечнику 29 и удаляется от второго сердечника 30.Поскольку приращения слагаемых в суммах магнитных проводимостей (6+6),(6 + бган ) для выходного напряжениядвух пар измерительных обмоток имеют разные знаки, то сами значения указанных суммпроводимостей в пределах диапазона преобразования стабилизированы, т. е. не зависят от нерабочих смещений якоря 28 вдольоси у, когда у 0,Аналогично при нерабочих смещенияхякоря 28 только вдоль оси у, когда уО( = сопзт = 0), суммы магнитных проводимостей (6+ 6), (6,+ 6) такжестабилизированы относительно таких нерабочих смещений.Таким образом, выходные сигналы последовательно соединенных первой и второй паризмерительных обмоток 3, 4 и 9, 1 О являютсястабилизированными по уровню Ц, относительно нерабочих смещений якоря 28 вдольоси у в пределах диапазона преобразования.Ввиду упомянутой разцозначности приращений магнитных нроводцчостей оказы-вается стабилизированным также значениесуммарной индуктцвности 1 обмоток 2 и 8возбуждения, а вместе с цим и действующеезначение 1, тока в цепи обмоток 2 и 8 возбуждения, в результате чего напряжение науправляющем входе усилителя 15 поддерживается неизменным и коэффициент усиленияусилителя 15 не корректируется. Но поскольку напряжение (; стабилцзировано по отношению к нерабочим смещениям якоря 28вдоль осц у (при 7 =- сопз( = 0), никакойкоррекции коэффициента усиления в данном случае и це требуется.Полностью аналогично изложенному происходит формирование выходного сигналадвух последовательно соединенных пар измерительных обмоток 3, 4, 9 и 1 О и прц любых постоянных значениях координаты 7.из зоны допустимых нерабочих смещений якоря 28, движущегося вдоль оси х, причем этодвижение сопровождается нерабочими смещениями вдоль оси у. Суммы проводимостей (6 +6), (6, + 6) для движенияякоря 28 вдоль осц х с постоянными координатами г = сопз( его центра имеют соответственно стабилизированные значения.Величина напряжения Г(как и длярассмотренного выше частного случая г = 0)не зависцт от нерабочих смещений якоря 28вдоль оси у.При изменении координаты г центра якоря 28, а следовательно, и зазора д междуверхней гранью якоря 28 ц обращенными инему торцами сердечников 29 ц 33, величинымагнитных проводимостей 6, 6 6, 6 гполучают приращения одного знака; при уве личении зазора д сравнительно с его номинальным значением д (гсО) эти проводимости уменьшаются, а при уменьшении зазора 8, (гО) - увеличиваются. Соответственно изменяются общие магнитные проводимости сердечников 29 и 33, суммарная индуктивность 1., обмоток 2 и 8 возбуждения, ток 1 а также величина выделяемого на образцовой мере 13 переменного напряжения 11, = , = 1, К которое преобразуется первым вы прямителем 16 в сигнал постоянного напряжения, регулирующий коэффициент усиления усилителя 15, с увеличением зазораб (ОогО), когда уровень сигнала 11 на входе усилителя 15 снижается, а ток возрастает повышение напряжения 1), = 1, К, ведет к возрастанию коэффициента усиления усилителя 15; уменьшение зазора ( д) д;, г 0) сопровождаемое соответственным уменьшением значений тока ь и напряжения 11 р, ведет к снижению коэффициента усиления уси лителя 15. В результате крутизна преобразования координаты х якоря 28 в выходной сигнал усилителя 15 поддерживается постоянной при нерабочих смещениях якоря 28 вдоль оси г.25Прохождение центра якоря 28 через исходное положения, определяемые совокупностью точек плоскости 0 (х = 0), изменяет знак разностей (С - 6), (621 - (зи), соответственно при этом меняется на 180 фаза выходных напряжений первой и второй пар измерительных обмоток 3, 4 и 9, 10. В исходных положениях якоря 28 611 =б, б= бввиду симметричности расположения якоря. 28 для х = 0 относительно стержней как первого 29, так и второго 33 сердечников.Схема 18 сравнения реагирует на различие индуктивностей первой 3 и второй 4 измерительных обмоток (указанные индуктивности пропорциональны соответственно значениям 6, б). Поэтому при нахож деции якоря 28 в левом поддиапазоне - ххО преобразования схема 18 сравнения выдает напряжение одной, например, отрицательной полярности, а при переходе45 напряжение другой (положительной) поляр ности, что позволяет получить с двух выходов, а именно с выхода усилителя 15 и с выхода схемы 18 сравнения однозначную информацию о положении якоря 28 в пределах общего диапазона преобразования 50- х . х+х.Таким образом, устройство осуществляет стабилизацию крутизны преобразования координаты х якоря 28 при его нерабочих смещениях вдоль оси у и компенсацию отклонений крутизны преобразования от номинальной при нерабочих смегцениях якоря 28 вдоль оси г. Тем самым в пределах диапазона преобразования - х х хобеспечивается однозначное - с учетом в выходном состоянии схемы 18 сравнения смены на 180 фазы напряжения Ц при переходе центром якоря 28 исходных положений х = 0 соответствие величины выходного сигнала усилителя 15 координате х центра якоря 28, которое не нарушается нерабочими смещениями якоря 28, происходящими в любых направлениях плоскостей, перпендикулярных (поперечных) оси х контролируемых перемещений.Зона преобразования, ограничиваемая пределами допустимых значений поперечных смешений якоря 28, определяет значения нерабочих смещений вдоль положительного и отрицательного направлений оси у, а также вдоль отрицательного направления оси г (нерабочие смещения якоря 28 в положительном направлении оси г ограничиваются самими сердечниками 29 и 30, а также не показанными ца чертежах элементами конструкции, обеспечиваюгцими крепление и жесткое взаимное смещение сердечников 29 и 33 вдоль оси у и обьедицяющими трансформаторные датчики 1 и 7 в едином корпусе), при которых устройство сохраняет нормальную работоспособность, в частности сохраняет линейность зависимости своего выходного сигнала от преобразуемых перемещений якоря 28, а также требуемую чувствительность преобразования.Фиксация выхода якоря 28 за допустимые пределы зоны преобразования осуществляется следующим образом.Первый 19 и второй 20 сумматоры производят сложение величины напряжения Ь выделяемого на образцовой мере 13 соответственно с выходным напряжением 11,., первой пары индикаторных обмоток 5 и 6 и с выходным напряжением Г, второй пары индикаторных обмоток 11 и 12.Если значения координат нерабочих смещений центра якоря 28 находятся в допустимых пределах, например если нерабочие смещения полностью отсутствуют (у = О, г = 0), то напряжение 1.3= 1.1, + Ь 1-1 ло - (-1 р + 1-1 нндх ца выходах соответственно первого 19 и второго 20 сумматоров це превышают уровня срабатывания первого 21 и второго 22 пороговых элементов. Соответственно на выходах пороговых элементов 21 и 22, а также на выходах элемента ИЛИ 23 и второго выпрямителя 24 устанавливаются сигналы низкого (нулевого) уровня, а ца выходе инвертора 2 о - сигнал высокого (единичного) уровня, воздействующий на управляющий вход ключа 17 и поддерживающий ключ 17 в замкнутом состоянии. В результате выходной сигнал переменного напряжения усилителя 16, несущий информацию о положении якоря 28, через замкнутый ключ 17 поступает ца выходную шину 27.Когда значения координат нерабочих смещений не превышают допустимые, выходной сигнал преобразователя в виде переменного напряжения выдается по выходной шине 27 (относительно общей шины устройства).Отклонение центра якоря 28 от оси г в направлении возрастания положительных значений координаты у (т. е. влево от исходного положения по фиг. 2 - в направлении второго сердечника 33) ведет к возрастанию уровней сигнала 11,2 на согласно включенных третьей 11 и четвертой 12 индикаторных обмотках второго трансформаторного датчика 7. Если при этом отклонении сама координата не меняется г=сопз 1,15 то величины тока 1 и напряжения (.)Р на образцовой мере 13 стабилизированы. Тем не мецее за счет возрастания сигнала 1), напряжение Ц, на выходе сумматора 20 также возрастает и при достижении центром якоря 28 границы зоны лопустимых (по 20 оси у) нерабочих смешений амплитуда сигнала 1 превышает уровень срабатывания 1), второго порогового элемента 22. Временным интервалам указанного превышения сигналом 1), значения Ь соответствует появление на выходе второго порогового элемента 22 напряжения высокого (едицичногп) уровня, т. е. прямоугольных импульсов, поступающих через элемент ИЛИ 23 ца вход второго выпрямителя 24, на выходе которого устанавливается постоянное напряжение высокого уровня, соответствуюгцего логической единице. На выходе инвертора 25 цри этом устанавливается напряжение низкого уровня, соответствующее логическому цугпо и переводящее ключ 17 в разомкнутое состояние; поступление пе ременного напряжения от усилителя 15 на выходную шину 27 прекращается. В то же время на выходную шину 27 с выхода второго выпрямителя 24 через резистор 26 подается относительно обгцей шины устройства 40 постоянное напряжение высокого (единичного) уровня, сигнализируюшее о выходе якоря 28 за допустимый предел нерабочих смещений в направлении возрастания положительных значений координаты у.45При рассмотренном движении якоря 28 в положительном направлении оси у напряжение ца выходе первого сумматора 19 убывает, поскольку из-за удаления (для у. О) якоря 28 от первого сердечника 29 снижается напряжение 11, на первой паре соглас цо включенных первой 5 и второй 6 индикаторных обмоток.Если центр якоря 28 отклоняется от одного из своих исходных положений (на плоскости Ох = О) в сторону возрастания отрицательных значений координат (вправо, .еиг, 2), причем г = сопз(, то напряжение Г.,в первой паре согласно включенных первой 5 и второй 6 индикаторных обмоток возрастает, а напряжение 1.3 н 1 г Второй пары индикаторных обмоток 11 и 12. убывает, так как якорь 28 приближается к первому сердечнику 29 и удаляется от второго сердечника 33. Поскольку смешений по оси г не происходит, г = = сопз 1, ток 1 Р и напряжение Ц остаются постоянным по амплитуде. При достижении центром якоря 28 правой границы допустимых значений нерабочих смешений по оси у напряжение Гд -- (.1 + (.1, начинает превышать по амплитуде уровень срабатывания Г первого элемента 21, что приводит к появлению на выходе порогового элемента 21 импульсной последовательности, аналогичной рассмотренной выше на выходе второго порогового элемента 22 лля лвижецця якоря 28 влево по осц у (тогла значения (.1 достигает амплитуда сигнала (.. На выходе второго выпрямителя 24 появляется постоянное напряжение высокого (единичного) уровня, которое через ицвертор 25 воздействует на управляющий вход ключа 17; выходное напряжение низкого уровня инвертора 25 переводит ключ 17 в разомкнутое состояние. Постоянное напряжение высокого уровня, соответствующего логической единице, с выхода второго выпрямителя 24 через резистор 26 поступает на выходную шину 27 и таким образом прц выходе якоря 28 за пределы допустимых значений в направлении возрастания отрицательных значений координаты у, предлагаемое устройство заменяет выдачу по выходной шине 27 переменного напряжения (от усилителя 15) выдачей постоянного напряжения высокого уровня (от второго выпрямителя 24.При нерабочих смешениях якоря 28 в сторону возрастания зазора 6 (г 0), т. е. в сторону вывода якоря 28 цз зоны преобразования, уровни сигналов всех индикаторных обмоток 5, 6, 11 и 12 трансформаторных датчиков 1 ц 7 снижаются. Однако такие нерабочие смещения ведут к возрастанию тока 1, в цепи обмоток 2 ц 8 возбуждения ц к возрастанию напряжения (, = 1 К, ца образцовой мере 13. Подбором соотношения числа витков индикаторных обмоток 5, 6, 11 и 12 (все индикаторные обмотки имеют одинаковые между собой числа витков, сопротивления )х . ц числа витков обмоток 2 и 8 возбуждения) легко обеспечивается п 1 евышение чувствительности тока 1, и напряжения Ьр над чувствительностью напряжений (.:к смещениям якоря 28 вдоль оси г: указанное превышение обеспечивается, в частности, за счет подбора достаточно большого значения К,. Тогда нерабочие смещения якоря 28 в сторону его вывода цз зоны преобразования (вциз по фцг. 2) ведут к обгцему росту напряжений (з., Г,. ца выходах соответственно первого 19 ц вто 1357693 10рого 20 сумматоров, и при достижении центром якоря 28 границы допустимых значений нерабочих смещений по оси к уровень срабатывания 1), превышается одним из выходных сигналов или 11, того из.двух сумматоров 19 и 20, который связан с индикаторными обмотками ближайшего по оси у к якорю 28 сердечника 29 или 33 (в зависимости,от конкретного значения координаты у центра якоря 28). В случае, когда якорь 28 пз положения, показанного на фиг. 2 сплошной линией, смещается строго вниз, оставаясь симметричным сердечником 29 и 33, т. е. у = О, уровень срабатыванияпревышается напряжениями (1 одновременно.Превышение уровня и амплитудой одного из напряжений , ) )(или их амплитудамп одновременно) вызывает появление прямоугольных импульсов на выходе соответствующего указанному превышению порогового элемента 21 или 22 (либо на их выходах одновременно); импульсы через элемент ИЛИ 23 воздействуют на вход второго выпрямителя 24, выходное постоянное напряжение которого увеличивается до уровня логической единицы. Ключ 17 размыкается сигналом низкого уровня с выхода инвертора 25, поступление выходного переменного напряжен ия усил ителя5 на выходную шину 27 прекращается. Постоянное напряжение высокого (единичного) уровня с выхода второго выпрямителя 24 подается на выходную шину 27 через второй резистор 26, что сигнализирует о выходе якоря 28 за допустимые пределы зоны преобразования.Фор 1 щла изобретенияТрансформ аторный преобразователь перемещений, содержащий первый трансформаторный датчик с якорем, состоягцнй из трехстержневого сердечника с обмоткой возбуждения и парой измерительных обмоток, схему сравнения, входы которой соединены с выводами измерительных обмоток, образцовую меру, включенную в цепь обмотки возбуждения, шину питания, управляемый усилитель и первый выпрямитель, включенный между образцовой мерой и управляющим входом усилителя, отличаю- и(ийся тем, что, с целью повышения точности преобразования и расширения функциональных возможностей, измерительные обмотки первого трансформаторного датчика включены встречно, в первый трансформаторный датчик введена дополнительно пара согласно соединенных индикаторных обмоток, а преобразователь снабжен идентичным первому вторым трансформаторным датчиком, смещенным относительно первого перпендикулярно направлению контролируемых перемещений, ключом, сигнальный вход которого соединен с выходом усилителя, первым и вторым сумматорами, первые входы которых соединены с образцовой мерой, а вторые соответственно с первой и второй парами индикаторных обмоток, первым и вторым пороговыми элементами, входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго сумматоров, элементом ИЛИ, входы которого подключены к выходам сумматоров, вторым выпрямителем, включенным на выходе элемента ИЛИ, ин- ЗО вертором, включенным между выходом выпрямителя и управляющим входом ключа, и резистором, включенным между выходом второго выпрямителя и выходом ключа, обмотки возбуждения трансформаторных датчиков соединены последовательно и подключены к шине питания, пары измерительных обмоток обоих датчиков соединены последовательно и подключены к сигнальному входу усилителя.