Преобразователь перемещений в код

1) нОзи У 3 с ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕ . ЕНЙН А ВТОРСНОЮУ СВИ,ЦЕТЕЛЬСТВУ зования пе 11 емей раторов устанавуровня ио пресбразов ределах преобр а выходах компа я напряжения ни у аналого-цифро ливают к вховог подключ нальног вместно разоват ным преоб висимость ных нот пе отсутируемоявляет обретении преобрределениования.1 показаональнаящений в ю и имостидиницах тоэовател границ чнос ние твернона прНака и апазо и о торо а ы элементы датч схема преобразо од; на фиг, 2 и г тролирурафикиун я пере ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТИРЦТИЯЫПРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свидетельство СССР Р 295518, кл. Н 031/50, 1985.Авторское свидетельство СССР Р 1439736, кл, Н 03 М 1/30, 1987. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕХЬ ПЕРЕИЕЩЕ 1 ИЙ В КОД(57) Изобретение относится к аналогоцифровым элементам автоматики, Целью изобретения является ковышение точкости преобразователя и достоверности определения границ диапазона преобразования, Для этого в преобразователь перемещений в код, содержащий трансформаторный датчик, четыре детектора амплитуд, два компаратора, источник переменного напряжения, источник опор. ного напряжения, коммутатор, первый функциональный преобразователь и аналого-цифровой преобразователь, введен второй Функциональный преобразователь. При нахождении подвижного элемента в Изобретение относится к аналогоцифровым элементам системы автоматики.Цель з я ся повыш ется выход второго функциопреобразователя, которыйс первым функциональлем воспроизводит за координаты подвижного элемента от величин продетектированных сигналов, получаемьх на выходах трансформаторного датчика. Значения входного кода аналога-цифровогс преобразователя прогорциональны контролируемой координате и не зависят от нерабочих поперечных смещений подвижного элемента. Ког-да подвижный элемент выводится из диа пазона преобразования, на одном из вы- уфр ходов компараторов устанавливается на- ф ф пряжение высокого уровня, к входу ана- ( лого-цифрового преобразователя подклю" чается источник опорного напряжения и на информационных выходах формируется код переполнения, а на соответствую- анавливаетщем контрольном выходе уст ся сигнал высокого уровня,3 - графики зависимостей выхо пряжений блока детектирования ремещений соответственно при ствии и наличии люфта контрол го объекта; на Фиг. 4 - завис построенные в относительных е выходных напряжений двух дете используемых для формирования мации о текущих значениях кон емой координаты; на Фиг. 5функций, обратных показанным на фиг.4; на фиг6 - функциональные схемыгервого и второго функциональных преобразователей.з5Преобразователь содержит трансформаторный датчик 1, источник 2 переменного напряжения, блок 3 детектирования, функциональные преобразователи 4 и 5, блок 6 компараторов, коммутатор 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, источник 9 опорного напряжения. Трансформаторный датчик 1 выполнен в виде подвижногоферромагнитного элемента 10, Ш-образного магнитопровода 11 с зубцами (непоказаны) на крайних стержнях, обмоток 12 возбуждения и обмоток 13-16считывания.Блок 3 детектирования содержит детекторы 17-20 амплитуды. Блок 6 компараторов выполнен в виде компараторов 21 и 22. Выходная шина 23 компа"ратора 21 и выходная шина 24 компаратора 22 являются соответственно первым и вторым контрольными выходамипреобразователя. Коммутатор 7 выполнен в виде переключателя 25 и элемен,та ИЛИ 26. Выходы 27 АЦП 8 являютсяинформационными выходами преобразователя.Функциональный преобразователь 4содержит блоки 28-33 вычислений, сумматоры 34-36, функциональный преобразователь 5 - аналоговый блок 37 умножения, сумматоры 38 и 39 и аналоговый блок 40 деления.Преобразователь работает следующим образом,Количество витков первой и второйсекций обмотки 12 одинаково, так чтопеременный ток от источника 2 создает в каждой секции равные одна другой намагничивающие силы.Обозначим координату центра (сере 45дины) подвижного элемента 10, отсчитываемую вдоль .оси х контролируемыхперемещений, через х, шаг нанесениязубцов магнитопровода 11 через ) рнерабочие поперечные смещения подвижного элемента 10 вдоль оси у (люфт)через 3уровни переменных напряжений на обмотках 13-16 через П,-У,уровни выходных напряжений детекторов 17-20 через Пп, а их совокупность р,зрз, через ч Гфнг. 2 з 5и 3).Рассмотрим получение выходной ин"формации блока 3, а также контрольный информации о наличии или отсутствииподвижного элемента 1 О в диапазонепреобразования для случая, когда поперечные смещения подвижного элемента 10 отсутствуют (3= О), В этомслучае отсчитываемые вдоль оси у зазоры 3 и 3, образуемые соответственно верхней кромкой подвижного элемента 10 (фиг. 1) с торцами зубцов верхней ветви магнитопровода 11, а такженижней кромкой подвижного элемента 10 с торцами зубцов нижней ветвимагнитопровода 11, равны один другому по величине и имеют номинальноезначение 3, .Приближение подвижного элемента 10к любому зубцу магнитопровода 11 характеризуется увеличением степени заполнения ферромагнитным материаломподвижного элемента зоны между торцомданного зубца (независимо от того,принадлежит он верхней или нижнейветви магнитопровода 11) и противолежащим участком средней ветви магнитопровода 11. Величина магнитного потока, проходящего по такому зубцу, воз"растает, а при наличии на зубце одной,из обмоток 13-16 соответственно возрастает и величина наводимого в нейэлектрического сигнала (фиг. 2). Наибольшие перекрытия зубцовых торцов,а следовательно, наибольшие уровнивыходных сигналов обмоток 13-16 и про.порциональные им уровни выходных напряжений детекторов 17-20 амплитудыдостигаются при значениях Х, равныхзначениям координат центров зубцов неподвижного магнитопровода 11. С удалением подвижного элемента 10 от какоголибо из зубцов, снабженных обмотками 13-16, магнитный поток, проходящийчерез данный зубец, ослабляется, соответственно, снижаются уровни наводимого в обмотке даннбго зубца сигнала и выходного напряжения связанногос ней детектора 17-20,Комбинация указанных участков воз"растания, перехода через максимум иубывания зависимостей выходных напряжений детекторов 17"20 от перемещенийподвижного элемента 10 для о = 0 показана на фиг. 2. Зубцы верхней и нижней ветвей магнитопровода 11 имеютодинаковые форму и размеры, что с уче"том указанного равенства зазоров, образуемых подвижным элементом 10 с зуб"цами верхней и нижней ветвей магнитопровода 11, обусловливает при 3059406 6 5 15 равенство уровней сигналов У = 11 616 и У= Б соответственно. Нулевое зна чение координаты Х нижняя граница диапазона преобразования) привязано к положению подвижного элемента 1 О, для которого уровни выходных сигналов обмоток 13 и 14, а также детекторов 17 и 18 попарно равны один другому Ц, = Ц , У = Б . Верхняя граница х диапазона преобразования привязана к положению подвижного элемента 10, для которого попарно равными являются величины выходных сигналов обмоток 14 и 15, а также детектоРов 18 и 19 Пд = У Б,= ц, . Для определенности принято,что параметры датчика 1 обеспечивают положение хг(фиг. 2) .Коммутационное состояние переключателя 25 определяется следующим образом. Если на его управляющий вход воздействует напряжение нулевого уровня, то к входу АЦП 8, который (для определенности) является устройством параллельного действия, подключается выход функционального преобразователя 5, если же на управляющий вход переключателя 25 воздействует напряжение единичного уровня, то к входу АЦП 8 подключается выход источника 9. Когда подвижный элемент 10 выведен влево за пределы диапазона преобразоВания перемещений (х ( 0), то Цч)1318) ЪПна выходе компаратора 21 устанавливается напряжение единичного уровня, а на выходе компаратора 22 - напряжение нулевого уровня. Одновременно высокий уровень напряжения с выхода компаратора 21 воздействует через элемент ИЛИ 26 на управляющий вход пере, ключателя 25. Тогда к входу АЦП 8 подключается опорный выход источника 9, напряжение на котором выбирается заведомо большим, чем верхний предел диапазона преобразования входного напряжения АЦП 8, и на выходе АЦП 8 устанавливается код переполнения, содержащий единицы но всех разрядах- Когда подвижньй элемент 10 выве 5 ден вправо за пределы диапазона пре" образования перемещений (Хх) то Ц) 0,8 ъ П на выходе компаратора 21 устанавливается напряжение нулевого уровня, а на выходе компаратора 22 - напряжение единичного уровня, Выходное напряжение единичного уровня компаратора 22 через элемент ИЛИ 26 воздействует на управляющий 5 4 и 15 20 25 ЗО 35 4 О 45 вход переключателя 25, н результате чего опорный выход источника 9 соединяется с входом АЦП 8, на ныходе которого и н этом случае устанавливается код переполнения.Таким образом, информационной совокупностью кода переполнения АЦП 8 и напряжения единичного уровня шинь 1 23 предлагаемый преобразователь .сигнализирует о выводе подвижного элемента 10 влево за пределы диапазона преобразования перемеш ний, а совокупностьюкода переполне. ия АЦП 8 и напряжения единичного уровня шины 24 - о выходе подвижного элемента 10 из диапазона преобразования вправо. Наличие н этих случаях на выходе АЦП 8 кода переполнения исключает возможность выдачи устройством ложной, но сходной с достоверной информации.Когда центр подвижного элемента 10 находится в диапазоне преобразования перемещений, то П017, 00П , а выходные напряжения комцараторов 21 и 22 имеют нулевые уровни, возцействующие через элемент ИЛИ 26 на управляющий вход переключателя 25, что обусловливает подключение к входу АЦП 8 выхода функционального преобразователя 5. При 3 = О напряжение Б,Х) = У (Х)и однозначно соответствует координате подвижного элемента 10 (фиг. 2). При нерабочем смещении подвижного элемента 10 УО вверх величина сигнала, наводимого в обмотке 16, и величинанапряжения, снимаемого с выхода детектора 20, возрастают, а уровни сигналов в обмотках 13-15 и соответствующих им ьыходных напряжений детекторов 17-19 снижаются (фиг. 3).При нерабочих смещениях подвижного элемента 10 0 ( О сигналы н обмотках 13-15 возрастают сравнительно с их уровнями, соответствующими отсутствию нерабочих смещений, а сигнал в обмотке 16 ослабляется, Величина выходного напряжения каждого из детекторов блока 3 прямо пропорциональна уровню его выходного сигнала.Появление нерабочих поперечных смещений, изменяя величину сигналов в обмотках 13-15, не изменяет координат проекций центра подвижного элемента 10 для его положений, при которых уровни сигналов обмоток смежных зубцов ниняей ветви магнитопронода 11являются равными один другому, т.е.йравенствац,(Х=О) = П,+(Х=о);Б (Х = хг) = Б,(Х = х),являются действительными и для случаев 3О,Поскольку люфт не влияет на характер (качественный) возрастания и убывания функции П(Х), то во всем дианазоне Эмежду выходными напряжениямидетекторов 7-19 поддерживаются со;.отношенияП, )ПзП, если Х с О;Б, = 08, если Х = 0;15Б з ). П д, Б,Б 1, если Ос Х с х и;,018 = Б, если Х = х;П БцП 7 если Х)хгСледовательно, как при наличии,так и при отсутствии нерабочих смещений в случае вывода подвижного элемента 10 влево за пределы диапазонапреобразования выход компаратора 21находится в единичном, а выход компаратора 22 - в нулевом состояниях; 25при выводе подвижного элемента 10 запределы диапазона преобразованиявправо выход компаратора 21 находится в нулевом, а выход компаратора 22в единичном состояниях; принахождении 3 рподвижного элемента 10 вне диапазонаО,х, по управляющему сигналу единичного уровня с выхода элементаИЛИ 26 переключатель 25 соединяетопорный выход источника .9 с входомАЦП 8, на выходе которого устанавливается код переполнения,Когда при любом (- 3 с Вс ц )центр подвижного элемента 10 перемещается внутри заданного диапазон пре образования, на шинах 23 и 24 устанавливаются напряжения нулевого уровня, и переключатель 25 соединяет свходом АЦП 8 выход второго функционального преобразователя 5.451 Рассмотрим работу преобразователя, когда подвижный элемент 10 расположен в рабочем диапазоне.Максимально возможный уровень сигнала любого из детекторов 17-20 обозначим. через П (9= + 6), тогда выходные напряжения детекторов 19 и 20 представляются в безразмерной форме как отношения11= П( Втн 1 Ь= Пго фщКроме того,= (Х/х ) - относительные перемещения подвижного элемента 10 (фиг. 4). Отсчет пары значений УУуровней выходных напряжений детекторов 19.и 20 однозначно определяетотносительную х к абсолютную Х == х, х координаты подвижного элемента 10 на оси контролируемых перемещений.Величины, получаемые врезультате детектирования блоком 3выходных напряжений обмоток 15 и 16,в дальнейшем используются как аргументы зависимости, отражающей установленную однозначность связи ф- (, ) (фиг. 5), которую целесообразно аппроксимировать дробно-рациональными выражениями относительноодной из величинс параметрами,зависящими от другой из величинх;(р,) р1=;СЬ; (,) ",где а, Ь, - безразмерные коэффициен"ты аппроксимации, являющиеся функциями ,р, ,ц - безразмерные постоянныепоказатели степеней соответственно в,слагаемыхчислителя и знаменателяаппроксимирующей функции;ш - число слагаемых в числиттеле;и - число слагаемых в знаменателеЗависимости а.,( Д ), Ь, (7) представляются полиномами1юъъ 1 Р, фа; =," а;1л (1" .Ь, =; Ь,1 ъ 1с постоянными параметрами аппроксимации а;, Ь , р, , с 1(независимы"чф чми от ).Аппроксимация функции двух переменных х() реализуется функциональными преобразователями 4 и 5, при"чем принято ш, = и, = 2; р = Я, = 11 Р= Ч = О, Ь, д О, т,е. укаэанныевыражения аппроксимирующей функции и коэффициентов а Ь; конкретизируются следующим образом; ц а 1)+ аа(ЬСх д + Ь (Д )Р Р,а, = а+ ащ(5) 10 а = а, "+ агг 1 гг 1 (1) или с учетом размерности преобразуемых физических величин5"Ч+ ПЬ 2где Па = Ка, 1аг. Каг 1Пьг= КЬ 2,К - масштабный коэффициент параметров аппроксимации, имеющий размерность напряжения и выбираемый равнымщ 15К - масштабный коэффициент операции умножения напряжений, выбираемыйравным (1 В,г,)Значения коэффициентов аппроксимации, содержащихся в выражениях для20а а 2, Ь 2., определяются экспериментальным или расчетным путем на этапесоответственно изготовления или проектирования преобразователей. Приопытном определении коэффициентов аппроксимации диапазон преобразованияперемещений разбивается на заданноечисло участков, с помощью образцовыхсредств механических измерений (например, микрометрического винта синдикатором) Фиксируются значения Хна границах указанных участков диапаэона преобразования и изменяются соответствующие этим значениям Х уровни Б 1 , П выходных напряжений блока 3 для ряда значений люфта оо изб Уменяемых в пределах Р,. Необходимостиизмерять сами значения 3 нет, таккак в определяемой ФункцииЯ) аргументами являются 01/О,П 2 о Вт40и знать с достаточной точностью надозначения именно этих аргументов. Затем экспериментально полученный набор соответствий Х +-ф (Б,9, 0 а ) илис помощью метода наименьших45квадратов преобразуется в форму дробно-рациональной функции (1). Очевидно, что соотношениеГ Ч( 8 =О),Я 2(32 = 0), где , (8 -, - 0)= 2 (3 = 0) входит в аппроксимирую 2щую зависимостькак частныйслучай,Первый функциональный преобразователь 4 формирует напряжения, входящие в выражение (2), как функции отаргумента Б 2 а55Р 2Па, - Ка - К(ац. 2 + а 2 122) 1 О Иго г 11 га 22где Па= Ка,Паг Ка 2Паг = Ка 2 ьЦа - Каггиока 2 эЦЬ 22 = КЬ-.Уров"и Ба Па 2НагПагг фБьг, Бь,Б йзвестные по опытным илирасчетным данным, задаются (воспроизводятся) на установочных выходах источника 9.Каждый из блоков 28-33 вычисленийреализует непрерывную функцию трехпеременных (фиг. 6, индексы г = 2833 соответствуют позициям блоков 2833 вычислений)Иг ф,и = и (-)г, цг,з где П - выходное напряжение г-гоблока вычислений;напряжения, подаваемые соотБг,Бз ветственно на его первый,второй и третий входы;М - задаваемые показатели степени.1Выходное напряжение детектора 20 и напряжения установочных выходов источника 9 разводятся по входам блоков 28-33 следующим образом:Р 20 Р 28,2 П 292 фРззгй е = П 28 з П 29,3ф ПМ,ъй Ра П 28Па 2 П 29 фПаг = -зон 4гг 11 з фБЬг = Пзг,;Пьзз,1Кроме того, устанавливаются Мгь = Р Мгз = Р 2 е Мзо= Р 2 ь Мз - Ргг э Мзг = яг, Мзз- ЧггТогда на выходах сумматоров 34-36 реализуются соотношения (3)-(5) и выделяются выходные напряжения соответственноПч= "а 1 Пзз = 11 а 21 Пзь= ПЬ 2Эти напряжения подаются на управляющие входы второго функционального преобразователя 5: напряжение П - на1559406 улл едак Подписи Тираж 66 11 ИПроизводственно-издательский комбинат Патент , г. Уж л. Гагарина, 101 Заказ 84ВНИИПИ Госу Составитель Л Техред А,Крав венного комитета113035, Москва,ренко Корректор Н.Корол о изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР35, Раущская наб., д. 4/5