Измерительное устройство

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧ Е СКИ 832 РЕСПУБЛИК(5)5 ЕН Ы ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР)(ГОПИ АНИЕ ИЗОБРК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССРМ 943801, кл. С 08 С 19/12, 1980.Измерительное устройство "МООЕ.1600 А", каталог фирмы АСОРЕХ, США.(54) ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именйо к устройствам; обеспечивающим измерение деформаций на элементах вращающихся обьектов. Цель изобретения - повыщение точности. Устройство позволяет с высокой точностью и йадежностью определитьдеформации вращающейся части конструкЦии обьекта испытания с числом оборотов до 10.000 об/мин в.широком температурном диатаэане и с1783289 высокой помехочувствительностью, за счет расположения на вращающейся части только первичных преобразователей, применения схемы. автокомпенсатора, дополнительной стабилизации переменного напряжения питания первичных преобразователей и гальвани- чески разделенного питания электронных элементов стационарной части устройства. Это достигается введением трансформатора уравновешивания 11, включенного последовательноСо среднейточкои первичных обмоток Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам, обеспечивающим измерение деформаций на элементах вращающихся объектов с бесконтактными способами передачи информа ции;Известны устройства тензометрирования вращающихся объектов.Устройства представляют собой первичные и вторичные преобразователи ин формации об измеряемых параметрах, располагаемых как нэ вращающейся части тензометрируемого объекта, так и на стационарной части, при этом блоки сопряжения элементов устройств стационарной и вра щающейся частей представляют собой воздушные трансформаторы, передающие энергию питания тензомосгов иэлектронной аппаратуры от стационарной и вращающейся части устройства через воздушные 20 трансформаторы и емкости, одна обкладка которых неподвижна, а другая - вращающаяся для передачи измерительной информа-ции ЯНаиболее близким по технической сущ ности, достигаемому эффекту и конструкциик измерительному устройству является изделие МООЕ 1600 А, выпускаемое фирмой АСОЯЕХ США, для измерения момента на вращающемся валу 2. 30Устройство содержит воздушный трансформатор, включающий обмотку на стационарной части и обмотку на вращающейсячасти устройства, генератор импульсов с частотой 160 кГц и усилитель, содержащийся 35 на стационарной части устройства, частотный модулятор и вращающуюся обкладку конденсатора, находящиеся на вращающейся части устройства, а также стационарную обкладку конденсатора, усилитель, 40 фазовый демодулятор, фильтр низких частот и калькулятор, находящиеся на стационарной части устройства, Устройство устанавливается на вращающейся и стацивращающихся воздушных трансформаторов 7, 10 и электронных элементов его управления 30, 31, 32, а также управляемого стабилизатора напряжения 36 с электронными органами управления 23, 24, Гальванически разделенное питание осуществляется дополнительным двухполярным стабилизатором напряжения 37, с питанием от последовательно соединенных обмоток со средне-заземленной точкой трансформаторов нагрузки 3, 4, 1 ил. онарной части объекта, причем вращающейся частью устройство соосно с вращающимся объектом и работает следующим образом.Импульсы, частотой 160 кГц, с генератора передаются от стационарной части через, воздушный трансформатор на вращающуюся часть для запитывания тензорезисторного моста, Снимаемые с другой диэгойали моста сигналы модулируются и передаются через конденсатор. обкладки которого находятся на стационарной и вращающейся частях объекта, усиливаются, поступают на фазовый демодулятор и фильтр низких частот, а далее на цифровой калькулятор.Однако, это устройство не обеспечивает высокой точности измерений в широком диапазоне температур и при длительных испытаниях, поскольку при этих условиях изменяются характеристики устройства изза воздействия внешней среды, а компенсирующие свойства электронной части не высоки, так как система измерения имеет открытый или разомкнутый вид,Кроме того, конструкция устройства рассчитана только на один измерительный канал.Целью изобретения является повышение точности в широком температурном диапазоне, длительных испытаниях, росте также по высокооборотности и числу измерительных,канэлов. Поставленная цель достигается тем, что измерительное устройство, содержащее два параллельно соединенных тензорезисторных полумоста. первый и второй конденсаторы, каждый из которых соединен со средней точкой соответствующего полумоста, первый воздушный трансформатор, выполненный с одной первичной и с двумя вторичными обмотками, второй воздушный трансформатор, выполненный с одной первичной и двумя вторичными обмотками, каждая из которых последовательно соединена с соответствующей вторичной обмоткой первого воздушного трансформатора,10 МД 3 транзистора и заземлен, шестой конденсатор, соединен со стоком первого МДП 20 входом фильтра нижних частот, нуль-индикатор, выход которого соединен с входом 30 соединен с соответствующим первым иливторым конденсатором, и выходом, соединенным с нуль-индикатором, первичные обмотобмоток воздушных трансформаторов заземлена, а другие выводы второй пары последо 45 50 третий конденсатор, шунтирующий первую пару последовательно соединенных вторичных обмоток воздушных трансформаторов, задающий генератор импульсов, стабилизатор напряжения, соединенный с задающим генератором импульсов, делитель частоты с парафазными выходами, последовательно соединенный с задающим генератором импульсов, первый и второй МДП, Транзисторы, затвор каждого иэ которых соединен с соответствующим выходом делителя частоты, а исток заэемлен, четвертый и пятый конденсаторы, каждый из которых соединен с соответствующим стоком первого и второго транзистора и с первичной обмоткой первого воздушного трансформатора, седьмой конденсатор, соединенный со стоком второго МДП транзистора и с первичной обмоткой второго воздушного трансформатора, первый и второй согласующие трансформаторы, первичная обмотка каждого из которых соединена с соответствующим стоком первого или второго МДП транзистора, фильтр нижних частот, фазовый демодулятор, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты, а выход со фазового демодулятора, а вход соединен с выходом делителя частоты, входной коммутатор с двумя входами, каждый из которых ки воздушных трансформаторов соединены последовательно. точка соединения второй пары последовательно соединенных вторичных вательно соединенных вторичных обмоток воздушных трансформаторов образуют диагональ питания параллельно включенных тензорезисторных полумостов, а тензорезисторные полумосты, вторичные обмотки воздушных трансформаторов, третий конденсатор и одна из обкладок каждого из первого и второго конденсаторов преднаэначены для размещения на исследуемом обьекте, снабжено ключевым элементом, вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, а управляющий вход соединен с выходом делителя частот, усилителем мощности, вход которого соединен с выходом ключевого элемента, восьмым конденсатором, соединенным с выходом усилителя мощности, трансформатором уравновешивания, первый выход первичной обмотки которого соединен с восьмым конденсатором,а второй вход его первичной обмотки заземлен, первый выход его вторичной обмотки подключен к общей точке первичных обмоток воздушных трансформаторов, а второй 5 выход его вторичной обмотки эаэемлен, девятым и десятым конденсаторами, каждый иэ которых соединен с соответствующим питающим тензорезисторные полумосты выходом вторичной обмотки соответствующего воздушного трансформатора, нормализатором напряжения питания:тензорезисторных полумостов, каждый из двух входов которого соединен с соответствующим девятым или десятым конденсэтором, управляемым стабилизатором напряжения питания трансформаторов нагрузки МДП транзисторов, вход которого соединен с выходом нормализаторэ напряжения питания тензорезисторных полумостов, а выход - к средней точке вторичных обмоток согласующих трансформаторов, блоком подстроечных резисторов компенсации разбаланса тензореэисторных мостов, вход которого соединен с выходом нормализатора напряжения питания 5 тензорезисторных полумостов, а суммарный выход подключен к нуль-индикатору.одна из обкладок каждого из девятого и десятого конденсаторов предназначена для закрепления на исследуемом обьекте, управляющий вход блока подстроечных резисторов компенсации раэбаланса тензорезисторных полумостов и выход коммутатора предназначен для подключения к внешним устройствам, Физическим моделированием установлено, что введение в устройство автокомпенсатора, реализованного путем снабжения устройства, ключевым элементом, фильтром нижних частот. дополнительным усилителем мощности, делителем частоты с парафэзным выходом, разделительным конденсатором, трансформатором уравновешивания, двух дополнительных конденсаторов со стационарной и вращающейся обкладками, нормали- затора напряжения питания тенэорезисторных полумостов, управляемого стабилизатора напряжения питания трансформаторов нагрузки МДП транзисторов, блока подстроечных резисторов компенсации рэзбаланса тензорезисторных полумостов "по реактивной" составляющей, обеспечивает повышение точности измерений в широком температурном диапазоне при длительных испытаниях для нескольких измерительных каналов вращающегося с высокими оборотами объекта,На чертеже приведена структурная схема измерительного устройства.Измерительное устройство содержитдва МДП транзистора 1 и 2, истоки которых заземлены, а стоки идут на первичные обмотки И 1, трансформаторов нагрузки 3 и 4с одной стороны, причем сток транзистора 1 через конденсатор 5 зашунтирован на . землю и через разделительный конденсатор6 соединен с вращающейся обмоткой В/1, воздушного трансформатора 7, сток трансформатора 2 через конденсатор 8 зашунтирован на землю и через разделительный конденсатор 9 соединен с вращающейся обмоткой Я 1 воздушного трансформатора 10, средняя точка обмоток Ю 1 и М/1 трансформаторов 7 и 10 соединена с обмоткой Я 2 трансформатора 11, второй конец которой заземлен, вторичные обмотки Юз вращающихся трансформаторов 7 и 10 соединены между собой с одной стороны, а с другой стороны соединены "резонансной" емкоСТью 12, ОДНИ КОНЦЫ ОбМОТОК Ю 2 ТрдНСформаторов 7 и 10 их общей точкой заземлены.а другие концы этих обмоток Ю 2 трансформаторов 7 и 10 подключены к тензорезисторным полумостам, образованным датчиками 13, 14, 15, 16, 17, 18. причем вершины полумостов соединены с вращающимися Обкладками конденсаторов 19 и 20, а средние точки полумостов соединены с вращающимися обкладками конденсаторов 21, 22 и 23, стационарные обкладки конденсаторов 19 и 20 подключены на вход нормализатора напряжения 24, который двумя своими выходами связан с блоком подстроечных резисторов 25, одновременно с этим стационарные обкладки конденсаторов 21, 22 и 23 соединены со входом коммутатора 28, который еще тремя входами, также как и блок подстроечных резисторов 25 связан с внешним устройством сигналами 2, 2, 2, а вход коммутаторао 1 г26 подключен к нуль-органу 27, два выхода которого подключены к фазовому демодуля. тору 28, управляющий вход которого подключен к одному из парафазных выходов делителя частоты 29, парафазные выходы которого также подключены к затворам МДП транзисторов 1 и 2 и одному входу ключевого элемента 30, второй вход которого соединен с одним из двух выходов фильтра нижних частот 31, второй вход которого "+ 10 В" идет на внешнее устройство, а выход ключевого элемента 30 подключен ко входу усилителя мощности 32, выход которого через разделительный конденсатор 33 идет на первичную обмотку трансформатора 11, второй выходкбторого заземлен.Устройство может быть выполнено на базе микроэлектронных средств серий 564, 590, 140. Конкретно: коммутатор 26 может быть построен на базе микросхемы 590 КН 6, аналогично на базе уже двух микросхем 590 КН 6 может быть построен коммутатор 25. Блок 24 как и блок 27 может быть выполнен10 15 20 25 30 35 трансформаторов 3 и 4, являющихся индуктивной Нагрузкой МДП транзисторов 1 и 2. 40 45 50 55 на базе двух операционных усилителей серии 140 каждый, Фазовый демодулятор 28 может быть построен на микросхеме серии 590 КН 4, ключевой элемент 30 - на микросхеме серии 590 КН 9, усилитель мощности 32 - на МДП транзистора 2 П 901, стабилизатор 34 - на базе стабилитрона КС 814, стабилизатор 32 - на базе микросхемы 142 ЕН 6, а управляемый стабилизатор напряжения 36 -на базе Операционного усилителя серии 140 и умощня ющего каскада. Генератор тактовых импульсов 35 может быть построен на базе микросхемы.564 ЛА 7, а парафазный делитель частоты 29- на 564 ТМ 2 с умощняющим выходом набазе микросхемы 564 ЛА 10. Устройство работает следующим образомС включением питания+12+24 В стабилизатор 34 подает напряжение +10 В на генератор импульсов 35, рабочая частота которого подбирается и стабилизируется с учетом резонанса во вторичных обмотках трансформаторов 7 и 10. После деления на делителе 25 частота генератора 35 поступает на затворы МДП транзисторов 1 и 2, управляя их противофазным открытием изакрытием,При включении питания производитсятакже включение управляемого стабилизатора напряжения 36 с выходным стабилизированным напряжением+10 В, подаваемым на среднюю точку первичных обмоток Возникающее при работе транзисторов 1 и 2 переменное напряжение во вторичных обмотках Ю 2 трансформаторов 3 и 4 поступает на стабилизатор 37, обеспечивающий гальванически развязанное от сети 12-24 В напряжение +15 В всех электронных блоков устройства для повышения их помехоустойчивости.Одновременно прямоугольные противофазные импульсы, снимаемые с индуктивной нагрузки МДП транзисторов 1 и 2 поступают через разделительные конденсаторы 6 и 9 на последовательно соединенные стациОнарные обмотки И/1 вращающихся воздушных трансформаторов 7 и 10, Средняя точка этих обмоток заземлена через последовательно включенную понижающую вторичную обмотку М/2 трансформатора 11, обеспечивая включение этих транзисторов,Конденсаторы 5 и 8 шунтируют стоки МДП транзисторов 1 и 2 на шину изделия и обеспечивает их защиту от встречных противоЭДС, возникающих в индуктивной нагрузкепри отключении цепи питания.С целью деформирования гармонического сигнала во вторичных обмотках 9/2трансформаторов 7 и 10 и получения резонанса напряжения в этих трансформаторах,в них дополнительно выполнены обмотки 5Яэ, которые включены последовательно изашунтированы резонансным конденсатором 12, который обеспечивает настройку начастоту 20000-30000 Гц при нагрузке обмоток 9/2 восемью тензореэисторными полумостами с номинальным сопротивлениемтензорезистора 120-200 см, Тенэорезисторы 16, 17, 8 включены в качестве активныхпо трехпроводной схеме для компенсациисопротивления соединительных проводов, "15что на схеме не показано.Тензорезисторы 13, 14, 15 являютсякомпенсационными. также возможно и ихактивное включение,Последовательно включенные обмотки 20И/2 трансформаторов 7 и 10 с заземленнойточкой их соединения при подаче питанияна тенэорезисторные полумосты образуютмногоплечевой измерительный трансформаторный мост, измерительная диагональ которого. в свою очередь, образуется землянойшиной и соответствующим выводом среднейточки тензорезисторного полумоста, соответственно подключенного к вращающейся пластине воздушного конденсатора 21, 22, 23, 30Процесс измерения изменения сопротивления тензорезисторов 13, 14, 15, 16, 17,18 начинается с выбора соответствующегоканала путем подключения соответствующей стацйонарной пластины одного из вращающихся конденсаторов 21, 22, 23коммутатором 26 при подаче на входы коммутатора 26 управляющего трехбитного двоичного кода 2, 2, 2 от внешнего устройства,Измерительное устройство строится по 40схеме автокомпенсатора, для чего с цельюисключения влияния нестабильности напряжения питания на датчики. а также дляобеспечения стабильности и линейностиусилителя сигналов достаточно обеспечить 45распознавание знака или фазы разбалансатензорезисторного моста при необходимойчувствительности и быстродействии усилительного тракта устройства,С целью компенсации разбаланса тензорезисторного моста по реактивной составляющей, учитывая, что датчики запитываютсяпеременными гармоническими сигналами,через два вращающихся воздушных конденсатора 19 и 20 напряжение питания тензорезисторов 13, 14, 15, 16, 17, 18 подается нанормализатор 24, сигнал с которого поступает на блок подстроечных резисторов 25,Индивидуально для каждого тензорезисторного полумоста имеется свой однократно настраиваемый резистор, Суммарный выход сигналов этих резисторов и сигналов разбаланса моста поступает на один иэ входов нуль-органа 27. Парафазный аналоговый сигнал с нуль-органа 27 поступает на вход фазового демодулятора 28. который в такт с частотой импульсов питания первичных обмоток трансформаторов 7 и 10 производит детектирование сигналов измерительного моста, интегрируемых затем фильтром нижних частот 31 в выходной сигнал, величина которого пропорциональная сигналу разбаланса с моста. Выходной сигнал затем также модулируется частотой импульсов питания в ключевом элементе 30;. усиливается усилителем мощности 32 и через разделительный конденсатор 33 подается на первичную обмотку чу 1 трансформатора уравновешивания 11, выходящую на точку. соединения обмоток Я 1 трансформаторов 7 и 10,Трансформаторы 7 и 10 являются понижающими в соотношении 4 к 1. Трансформатор 11, также понижающий 15 - 30 к 1. В силу этого, подаваемый на первичную обмотку Я 1 трансформатора 11 и нормируемый в пределах -10 В импульсный сигнал вызывает изменение потенциалов в обмотках В/2 трансформаторов 7 и 10 в пределах .100 мВ, Так как изменение сигнала разба. ланса тензомоста в рабочем диапазоне составляет, примерно, +100 мВ. то этот разбаланс можно компенсировать на вращающейся части устройства, подавая соответствующим образом нормируемый сигнал через обмотку Ю 2 трансформатора 11, При этом в одном случае фаза сигнала Ю 1 трансформатора 11 будет совпадать с фазой сигнала Я 1, трансформатора 7. а фаза сигнала ЧЧ 1 трансформатора 10 будет противоположна, а в другом случае наоборот.Так как процесс уравновешивания происходит при подаче сигнала в трансформатор 11, при этом усилитель 32 работает с шунтированием сигнала с фильтра низкой частоты 31 на шину земли, то процесс распознавания разбаланса и уравновешивания его является достаточно быстродействующим и устойчивым.С целью стабилизации напряжения питания тензорезисторных полумостов напряжением с обмоток В 2 трансформаторов 7 и 10 введен второй контур обратной связи, входящий в состав автокомпенсатора. В качестве сигнала обратной связи используется сигнал нормалиэатора напряжения 24, который выпрямляется и подается на дополнительный вход управляемого стабилизатора напряжения 36. Это позволяет при уменьшении амплитуды питания тензорези25 30 35 трансформатора, третий конденсатор, шунтирующий первую пару последовательно соединеннцх вторичных обмоток воздушных ненный с задающим генератором импульсов,делитель частоты с парафазными выходами, 45последовательно соединенный с задающим 50 55 сторных полумостов из-за обрывов или замыканий в цепях тенэодатчиков пропорционально увеличивать напряжение на выходе стабилизатора 36, что приводит к увеличе. нию амплитуды импульсов питания первичных обмоток ЧЧ, трансформаторов 7 и 10, Аналогичный процесс с обратными значениями сигналов происходит при увеличении амплитуды напряжения питания тензомостов.Схема устройства построена таким образом, что на вращающейся части нет радиоэлектронных элементов. чувствительных к действию центробежной силы, таких как интегральные микросхемы, операционные усилители, транзисторы и т,дчто позволяет расширить его функциональные воЗможности эа счет применимости на более высокооборотных объектах, с числом оборотов в десятки тысяч, в то время как известные многоканальные устройства позволяют их использование при числе оборотов на порядок меньше. ф о р мул а и за бр ете н ия Измерительное устройство, содержащее два параллельно соединенных тензорезисторнцх полумоста. первый и второй конденсаторы, каждый из которых соединен со средней точкой соответствующего полуглоста, первый воздушный трансформатор, выполненный с одной первичной и с двумя вторичными обмотками, второй воздушный трансформатор, выполненный с одной первичной и двумя вторичными обмотками, каждая из которых последовательно соединена с соответствующей вторичной обмоткой первого воздушного трансформаторов, задающий генератор импульсов, стабилизатор напряжения, соедигенератором импульсов, первый и второй МДП, транзисторы, затвор каждого из которых соединен с соответствующим выходом делителя частотц, а исток заземлен, четвертый и пятцй конденсаторц, каждый из которых соединен с соответствующим стоком первого и второго МДП транзистора и заземлен, шестой конденсатор, соединен со стоком первого МДП транзистора и с первичной обмоткой первого воздушного трансформатора, седьмой конденсатор, соединенный со стоком второго МДП транзистора и с первичной обмоткой второго воздушного трансформатооа, первый и второй согласующие транс 5 10 15 20 форматоры, первичная обмотка каждого иэ которых соединена с соответствующим стоком первого или второго МДП транзистора, фильтр нижних частот, фазовый демодулятор, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты, а выход с входом фильтра нижних частот, нуль-индикатор, выход которого соединен с входом фазового демодулятора, а вход соединен с выходом делителя частоты, входной коммутатор с двумя входами, каждый иэ которых соединен с соответствующим первым или вторым конденсатором, и выходом, соединенным с нуль-индика ором, первичныеобмотки воздушных трансформаторов соединены последовательно, точка соединения второй пары последовательно сбединенных вторичных обмоток воздушных трансформаторов заземлена, а другие выводы второй пары последовательно соединенных вторичных обмоток воздушных трансформаторов образуют диагональ питания параллельно включенных тензорезисторных полумостов, а тензорезисторные полумосты, вторичные обмотки воздушных трансформаторов, третий конденсатор и одна из обкладок каждого из первого и второго кон.- денсаторов предназначены для размещения на исследуемом объекте, снабжено ключевым элементом, вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, а управляющий вход соединен с выходом делителя частот, усилителем. мощности, вход которого соединен с выходом ключевоо элемента. восьмым конденсатором, соединенным с выходом усилителя мощности. трансформатором уравновешивания первый выход первичной обмотки которого соединен с восьмым конденсатором, а второй вход его первичной обмотки эаземлен, первый выход его вторичной обмотки подключен к общей точке первичных обмоток воздушных трансформаторов, а второй вьгход его вторичной обмотки заземлен, девятым и десятым конденсато рами, каждый из которых соединен с соответствующим питающим тензорезисторные полумосты выходом вторичной обмотки соответствующего воздушного трансформатора, нормалиэатором напряжения питания тензорезисторных полу- мостов, каждый иэ двух входов которого соединен с соответствующим десятым или девятым конденсатором, управляемым стабилизатором напряжения питания трансформаторов нагрузки ЬДП транзисторов, вход которого соединен с выходом нормализатора напряжения питания тензорезисторных полумостов, а выход - к средней точке вторичных обмоток согласующих трансформаторов, блоком подстроечных резисторов компенсации разбаланса тензорезисторных мостов, вход которого соединен с выходом нормалиэато13 1783289 14 Составитель Н,ПарфеновТехред М.Моргентал Корректор Н.Ревская Редактор Заказ 4505 7 ираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина. 101 ра напряжения питания тензорезисторных полумостов, а суммарный выход подключен к нуль-индикатору, одна иэ обкладок каждого из девятого и десятого конденсаторов предназначена для закрепления на иссле дуемом объекте, управляющий вход блока подстроечных резисторов компенсации разбаланса тензорезисторных полумостов и выход коммутатора предназначены для подключения к внешним устройствам.