Способ преобразования перемещений и устройство для его осуществления

(21) 439 (22) 23(46) 30. (72) А.И (53) 621 (56) Авт Кф 114654Автор 9 144117 6924/24-2803.88 10.89. Бюл. Р .Никонов .317.39:531,7орское свидетО, кл. С 01 В бмотки 0 7(088,8)льство СССР7/00, 1984ство СССР7/00, 1987. ое свидетел кл. С 01 В 2,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬТИПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕРЕЩЕНИ 1И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУПЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений линейных перемещенийС целью повышения точности засчет снижения температурной погрез. -ности способ предусматривает формиравание в моменты равенства нулю токаобмоток из переменного напряжениядифференциального индуктивного датчика двух напряжений, одно из которых равно напряжению первои о диФференциального индуктивного датчика,а другое - полусумме напряжений первой и второй обмоток. В эти же моменты формируют напряжение, пропорциональное скорости изменения тока в обмотках датчика, Преобразуя полученныенапряжения с учетом температурногодрейфа индуктивности датчика,формируют напряжение, пропорциональное перемег;ению и независящее от измененийтемпературы. В устройство, реализующее способ и содержащее обмотки 1якорь 3, источник 4 питания, резистор 5, компаратор 7, одновибратор 8,блоки 9, 10 выборки и хранения, делитель 11, шину 18 нулевого потенциала,введены дифференциатор 6, делитель 12напряжения, делитель 13, блок 14 выборки и хранения, вычитатель 15, делитель 16, блок 17 коррекции. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений,Цель изобретения - повышение точности за счет снижения температурнойпо грелности.На фиг, 1 приведены графики зави"симостей индуктивности рабочих об- Омоток т перемещений; на фиг. 2 -блок-схема устройстьз, осуществляющего способ; на фиг, 3 - временные диаграммы работы устройства.Устройство, осуществляющее способ, 15содержит рабочие оомотки 1 и 2, атакже ферромагнитный якорь 3 диФференциального индуктивного датчика,Источник 4 питания вклочен в электрический контур, .образованный последовательным соединением рабочих обмоток1 и 2, а также резистора 5. Выводырезистора 5, один из которых соединен с входом дифференциатора 6, адругой - с одним из выводов рабочей 25обмотки 1, подключены, соответственно, к первому и второму входам компаратора 7, связанного через одновибратор 8 с управляющими входами блоков9 и 10 выборки и хранения, 30Сигнальный вход блока 9 соединенс общей точкой рабочих обмоток 1 и2, а его выход - с входом делимогоделителя 11. Сигнальный вход блока10 подключен к выводу. последовательно соединенных рабочих обмотоки 2,а его выход через делитель 12 напряжения - к входу делимого делителя 13.Выхоц блока 6 подключен к сигнальномувходу блока 14 выборки и хранения. 40Выход делителя 11 соединен с первым,а выход делителя 13 - с вторым входами вычитателя 15, выход которогоподключен к входу делимого делителл 16,Быход делителя 3 через блок 17коррекции связан с входом делителя 16,напряжение на выходе которого представляет собой выходной сигнал устройства, Юнна 18 нулевого потенциалаподключена к второму входу компаратора 7 и одному из выводов источника4 питания.Способ заключается в следующем.Рабочие обмотки 1 и 2 дифференииального индуктивного датчика, функционируюшего в условиях колебанийтемпературы, а также резистор 5 запитывают общим переменньм напряжением11=7 впций,где 7 - амплитуда питающего напряжения;ы - его круговая частота;время.Выражения дифференциальных изменений индуктивностей,соответственно, рабочих обмоток 1 и 2 в зависимости от перемещений якоря 3 датчика вдоль оси Х имеет пид.линейных функций Ь,Ь+1 Ь+1(ХО+ч 1), (1)(-х,) х х где 1. - балансная индуктивность рабочей обмотки при нейтральном - балансном положенииякоря 3, когда его координата Х имеет нулевое зчачение;1 - коэффициент пропорциональности индуктивности рабочей обмотки и координаты якоря 3,определяемый параметрамидатчика и эксплуатационнымиусловиями;Х,-, - начальное положение якоря,из котооого начинается его движение;ч - скорость движения якоря;(+Х,) - границы диапазона преобразования с линейной аппроксимацией зависимостей индуктивностей рабочих обмоток 1 и 2 от геремещений якоря 3.Запись Формул (1) и (2) с введением одинаковой размерности величины коэффициента пропорциональности, стоящего перед аргументсм Х, и величины балансной индуктивности имеет вид Ь, =1 Х (Х/Х )+Ь = Л+Ь (1 а) 1. -1 Х, (Х/Х,)+Ь= -Л 1+Ь, (2 а) 1+1, -21.=(Х/Х,) - относительное перемещениеякоря;1 с,11В диапазоне преобразования суммарная индуктивность и величина тока рабочих обмоток 1 и 2 не зависят от координаты Х5 15186 1 ЧГ(2 ьЬ )+(2 г+К)1(5) где Е сопят - активное сопротивлениерезистора 5;г - активное сопротивлениекаждой рабочей обмотки1 и 2;Ц 2 ыЬ/(2 г+К) - добротность контура,нагружающего источник4 питания.10В рабочих обмотках 1 и 2 выделяют напряжения, соответственно, Ю,(Г,), 02(Г), которые, согласно закону электромагнитной индукции и с учетом падения напряжения на активном сопротив 15 ленин обмоток 1 и 2 равны 61 6где К - масштабный коэффициент операции дифференцирования,ц-(ац,/аг)-к(апай) . Выделенные сигналы - напряжениерабочей обмотки Ц общее напряжениерабочих обмоток 11(Г) 1102(Г) ф а также напряжение У - дискретизи 3 руют в моменты временигч+2%0 с.-1 Н,где Е - целые числа, устанавливающиеусловную нумерацию периодовпитающего напряжения Б.Как следует из выражения для О,Бх,2 Этн СОСтаВЛявщИЕ СИГНаЛОВ Ь, Бхв моменты 1равны нулю, поскольку(7) Таким образом, в моменты Тформируются дискретизированные величины Бс, напряжения первой рабочей обмотки, Юполовины общего напряжения рабочих обмоток и Ь напряжения 11,с 9их аналитические выра.ения находятся на основании использования формул(8) 11, =Ц,(г)=Ох, (г,)=( 1,(л +Ь), (15) У( щОх 513(С к) =С х 5 Г х 1 (г к)+Ь х (г к)1 0 119(Г к) К ФРф (17)Затем выделяют напряжения Б,пропорциональные по уровню отношениям соответственно дискретизированного напряжения первой рабочей обмотки и половины дискретизнрованного общего напряжения рабочих обмоток на дискретизированное напряжение У 9 (для их количественного описания используют выражения (15)-(17) 0=1 Ь=1 (Л,1 х+Ь )я 1 п(ьй+0,5-), (9)1 к 2 =1 Ь 2=Л(-х+Ь ) я до (ы С+О, 5 Т - ), 40(10)=а,/а,Бх,02- скоростные составляющиесигналов Б У 2, пропорциональные величине скорости якоря11, =1(1., +г) =1,(1+г) я 1 п (ц г-Р), (11) 13 чг =1(Ь 2+г)=1 (-1+г)яп(4-о), (12) 50 Ь,=(аЬ,/аг), Ь,=(аЬ,/аг).На резисторе 5 выделяют сигнал Н,-К,Б В -К 2/(К В)1(. +1)- =К,(Э,+Ь,).(18) 2/ 9 2 Е / (К Р) =1 Ь . (19) где К =сопя - масцтаонь козФФциент операцииеения; К Ук 2/ (К,Р.) ==сопя г известная постов ц =1 к=1 Кя 1 п( г-Ч), (13)55который затем дифференцируют, получаянапряжение а, аБ (г)= - - +г, - (Ь 1)+г 1 агасф а, аБ (г)" - - +г " - (Ь 1)+г ааг 2 где- потоКосцепления, соответственно, рабочих обмоток 1 и 2. 25 Преобразуя выражения (6) и (7) сучетом (1), (2), (1 а), (2 а), (4) ираскрывая производные произведений(Ь,1), (Ь 21), получают11,(с) =11 ,+11 11 (г) =112+11 где 11 Ю , - координатные составляющие сигналов Б , П 2,пропорциональные величи 35не перемещений якоря 3 339=К,Б=К,ц 1 Р. я 1 п(,г.+0,5 Г-), (14) я 1 п(ьг -Ч)=я 1.п 21 с=О. янная вечи з.Сокращение в приве;енных отншениях ( 8) и (19) величны 1 , ес ечивает независимость результат, Л,ьнейшего преобразованияеличП, от температурных изее;: т 1518661ного сопротивления т рабочих обмоток 1 и 2, поскольку согласно выражению (5) эти изменения влияют именно на величину амплитуды 1.При нормальной температуре датчика величины модифицированного коэффициента пропорциональности Л, ба" лансной индуктивности Ь, а также индуктивностей Ь, Ьг рабочих обмоток 1 и 2 имеют номинальные значения, соответственноь н ф Ь вн ф Таким образом, величины индуктивностей рабочих обмоток 1 и 2 представляются в виде совокупностей (фиг,1) 30 0 =О,8 =О,ь= " ( 1 е ( ), еслиЬгм (Ч.л) ф если Ьг ("1 ) э если О =О,6 =О. Зависимость модифицированного коэффициента пропорциональности 1 отуровня балансной индуктивности Ь,которая сама представляет собой функцию отклонения 6 температуры датчикаот своего нормального значения, носит систематический характер. Эта зависимость известна по результатамопытных данных, получаемых при температурных испытаниях дифференциальных индуктивных датчиков, либо по 45результатам расчетных данных, получаемых в процессе проектирования датчиков, и может быть аппроксимированаполиномом,50После выделения напряжения Б 1 его уровень функционально преобразуют в соответствии с П, формируя на- пряжение 11=К л,где К =сопят - масштабный коэффициьент функциональногопреобразования,= +Ь , Ь =+ЬОтклонения 6 температуры реды ус 1 тановки датчика от своего нормального значения, обычна принимаемого равным 20 С, обуславливают изменения данных величии (фиг. 1, где через Ь обозначена совокупность индуктивнос- тейЬ, Ь)Д.= 1(ОФО) ФЛр Ье=1. (В 0) ФЬьн1 =Ь, (, Е ФО) ФЬ,И),Ьга=Ьг ( фЕх эфО) ФЬгн (1 х )Одновременно с получением напряжения У 9 выделяют разность напряжений У 0,1 г, что согласно выРажениЯм (18), (19) даеть 1101 11 да КьЗатем формируют выходной электрический сигнал Б, уровень которого определяется отйошением разностного напряжения к напряжению, сформированному с учетом"д Ко КгК Х Б =К"К вК гЦ Кь К Х 5 г где К=К К,/(К Х,)=сопя - коэффициент пре- обраэования перемещений.Таким образом, сформированное выходное напряжение является пропорциональным координате якоря 3, отсчитываемой вдоль оси контролируемьп перемещений,Устройство работает следующим образом.Дифференциальный индуктивный датчик с обмотками 1 и 2 установлен возле контролируемого подвижного объекта (на фиг. 3 не показан), с которымжестко скреплен якорь 3, и функционирует в условиях колебаний температуры окружающей его среды. Остальныеузлы устройства находятся в стабильном тепловом режиме,При перемещениях якорч вдоль осиХ индуктивности рабочих обмоток 1 и 2изменяются дифференциально, причем впределах диапазона преобразования ихзависимости от координат якоря 3,отсчитываемых по оси Х, имеют линейный характерИсточник 4 вырабатывает переменное напряжение, распределяющееся между последовательно соединенными рабочими обмотками 1 и 2 и резистором 5,В момент времени(1 с=1)=с,= ы-Чнапряжение резистора 5, отсчитываемое относительно шины 18 устройстваФ11 =11 = -Б =1 В,я ь а.достигает нулевого уровня и затем втечение половины периода Т(2/о)питающего напряжения Бнаходится вобласти отрицательных значений (фиг. 3,где через В обозначена совокупностьэлектрическйх величин, относящихся кконтуру подключения источника 4: напряжений Б, Оа и тока 1), 9 15Выхьдное состояние компаратора 7определяется соотношением уровнейсигналов, подаваемых на его входы,Если величина сигнала, поступающегона первый вход, превышает нулевоезначение, соответствующее подключению его второго входа к общей шинеустройства, то на выходе компаратора7 устанавливается напряжение высокого (единичного) уровня. Если величина сигнала, поступающего на первыйвход компаратора 7, переходит в область отрицательных значений, тоуровень выходного напряжения компаратора 7 меняется с высокого на низкий (нулевой). Поэтому, начиная смомента 1, и в течение полупериода0,5 Т с выхода компаратора 7 снимается напряжение низкого уровня,Дифференциатор 6 реализует дифференцирование напряжения 0 с одноРвременным изменением его знака"1 Э К 2" 22 ф " ="Д КЛ 1 Е5 Напряжение на выходе вычитателя 15 равно 111 э 11 11 П 1 э Уд КУ" 1 дБлок 17 коррекции реализует известную по спытно-испытательным илипроектно"расчетным данным зависимостьмодифицированного коэффициента пропорциональности 1 от напряженияП, =К , значения которого фиксиру ются (определяются) при колебанияхтемпературы среды установки дифференциального индуктивного датчика,Выходное напряжение Н схемы 16,являющееся также и выходным сигналом 20 устройства в целом, определяется отношением выходного напряжения вычитателя 15 к выходному напряжению блока17 коррекцииО 6= -К,Ра К 111 е 9 х25 где 0 (с 1 ое/с 1) .Одновибратор 8 запускается по отрицательному перепаду входного сигнала и в момент С начинает формирование короткого по сравнению с дли тельностью Т импульса 118, по выдаче которого блоками 9, 10 и 14 производится дискретизация, соответственно, напряжения 11 1,=О (С) рабочей обмотки 1, общего напряжения рабочих обмотоки 2 119 11 с 31 сТе(1 х ь) х111 о =О(1) =2 с"Т.,1, х 45 причем на выходе делителя 12 напряжения формируется половина общего напряжения рабочих обмоток 1 и 2 50 и 12=00=О, 511(с 1) =ьзТДелители 11 и 13 реализуют аналоговые операции деления выходных напряжений, соответственно, блока и де лителя 12 на выходное напряжение блока 14, Выходные напряжения 11 делителя 11 и О делителя 13 представляют1 эсобой величинь 1".="=. Ь+ =" )+" 2 ("а также выходного напряжения Бс дифференциатора 6. Выходные напряжения 40блоков 9, 10 и 14 выборки и хранения,соответственно, равны Ц11,1К -- =К - =Кэ 2 11 2 О лхи пропорционально величине Х контролируемой коорпинаты якоря 3,формула изебретения1, Способ преобразования перемещений, заключающийся в том, что пропускают переменный ток через обмотки дифференциального индуктивного датчика и формируют постоянное напряжение У,1, равное напряжению на первой обмотке в момент равенства нулю переменного тока через нее, о т л и ч аю ш и й с я тем, что, с целью повышения точности за счет снижения температурной погрешности, в момент равенства нулю переменного тока чсрез обмотки датчика формируют напряжение Ц , равное сумме напряжений н обмотках датчика и на ряжс нис 1. 9, пропорциональное скорости изэ 1 енеииг переменного тока через обе.отки датчика, а о перемещении Х судят ио значению выражения0113 сэ 21.д аХ=Уд1 (8)211 дГде Д (8) - температурно з агн ги т,г коэффициент ."рс г пи и ги исаевти, опредс лнемый и 1 1 льтатам оиытиь. ие 1 т1518661 12 дифференциального индуктивного датчика. 2, Устройство для преобразования перемещений, содержащее дифференци альный индуктивный датчик с двумя обмотками, источник питания, резистор, компаратор, одновибратор, два блока выборки и хранения, первый де литель и шину нулевого потенциала, подключенную к первому входу компаратора, выход которого через одновибратор подключен к управляющему входу первого блока выборки и хранения, вьг. 15 ход которого подключен к входу делителя, конец первой обмотки дифференциального индуктивного датчика подключен к началу второй обмотки дифференциального индуктивного датчика и 20 к сигнальному входу первого блока выборки и хранения, шина нулевого потенциала через резистор подключена к первому выводу источника питания, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности за счет снижения температурной погрешности, в него введены дифференциатор, третий блок выборки и хранения, делитель напряжения, второй и третий делители, 30 вычитатель и блок коррекции, выход которого подключен к первому входувторого делителя, шина нулевого потенциала подключена к началу первой обмотки дифференциального индуктивногодатчика, второй вывод источника питания подключен к сигнальному входу второго блока выборки и хранения и концу второй обмотки дифференциальногоиндуктивного датчика, выход одновибратора подключен к управляющим входамвторого и третьего блоков выборки ихранения, выходы которых подключенысоответственно к входу делителя напряжения и первому входу третьего делителя, к второму входу которого подключен выход делителя напряжения, выход третьего блока выборки и хранения подключен к второму входу первогоделителя, выход которого подключенк первому входу вычитателя, к второмувходу которого подключен выход третьего делителя, выход вычитателя подключен к второму входу второго делителя,выход которого является выходом устройства, выход третьего делителя подключен к входу блока коррекции, первый вывод источника питания черездифференциатор подключен к сигнальному входу третьего блока выборки и хранения.1518661 Составитель В.ПодоляРедактор И,Касарда Техред Л.Сердюкова Корректор Н,Корол Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 11 акаэ 65 НИИПИ Г 45 Тираж 683 Под дарственного комитета по изобретениям113035, Москва, Ж, Раушская н сноеоткрытиям при ГКд. 4/5