Устройство для измерения перемещений

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений. С целью уменьшения температурной погрешности измерения устройство выполнено в виде рабочей и компенсационной обмоток, размещенных на магнитопроводе и двух подборных резисторов, через которые блок питания запитывает рабочую и компенсационную обмотки, разность сигналов на которых усиливается дифференциальным усилителем. Сигнал на выходе усилителя в некотором диапазоне пропорционален перемещению . 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s>)s G 01 В 7/14

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4817009/28 (22) 23,04.90 (46) 30.05,92. Бюл, ¹ 20 (71, Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Н. Д. Конаков, Т. Н. Мурашкина, В. А.

Столяров и О. В. Преснякова (53) 621,317.39:531.717(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹855380,,кл. G 01 В 7/00, 1979.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1647228, кл. G 01 В 7/00, 1990. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений объектов, Известен преобразователь линейных перемещений, содержащий подвижный якорь, два соосно расположенных ферромагнитных сердечника с размещенными в них измерительной и компенсационной обмотками.

Недостаток указанного устройства заключается в значительной нелинейности выходной характеристики, обусловленной резким изменением пространственных характеристик электромагнитного поля.

Известно устройство для измерения перемещений, содержащее источник питания, дифференциально-трансформаторный преобразователь перемещений с первичными последовательно включенными обмотками, подключенными к выходу блока питания, и вторичными обмотками, включенными встречно, фазосдвигающую цепь, вход кото„„ЫЛ „„1737259 А1 (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений. С целью уменьшения температурной погрешности измерения устройство выполнено в виде рабочей и компенсационной обмоток, размещенных на магнитопроводе и двух подборных резисторов, через которые блок питания запитывает рабочую и компенсационную обмотки, разность сигналов на которых усиливается дифференциальным усилителем. Сигнал на выходе усилителя в некотором диапазоне пропорционален перемещению. 3 ил. рой подключен к одному из сигнальных выводов вторичной обмотки, например компенсационной, блок формирования сигналов, входы которого соединены с выходом фазосдвигающей цепи и вторым сигнальным выводом вторичных обмоток, Недостатками этого преобразователя являются большие габаритно-весовые параметры, обусловленные тем, что дифференциал ьно-тра нсформаторн ы и преобразователь перемещений (чувствительныйый элемент) содержит две первичн ые обмотки (рабочую и компенсационную), включенные последовательно, и две вторичные обмотки (рабочую и компенсационную), а также тем, что в состав преобразователя входит отдельный узел (фазосдвигающая цепь), осуществляющий дополнительный сдвиг синусоидального сигнала с выхода вторичной рабочей обмотки относительно сигнала с выхода вторичной компенсационной обмотки; большая температурная погрешность измерений, обусловленная

1737259 асимметричными условиями работы рабочей и компенсационной частей вследствие шунтирующего действия на секцию вторичной обмотки рабочей части параллельно подключенной фазосдвигающей цепи (например, типа R— - С или R— - ), что приводит к паразитному изменению фазы суммарного сигнала за счет непропорционального изменения по величине геометрически суммируемых сигналов при воздействии температуры.

Цель изобретения — уменьшение температурной погрешности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения перемещений введены первый и второй резисторы, выход блока питания через, соответственно, первый и второй резисторы подключен к началам соответственно рабочей и компенсационной обмоток, концы которых подключены к шине нулевого потенциала, начала компенсационной и рабочей обмотки подключены соответственно к прямому и инверсному входам дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства.

Использование изобретения позволяет уменьшить габаритно-весовые характеристики вследствие того, что в чувствительном элементе используются две обмотки (вместо четырех обмоток, используемых в устройстве-прототипе), а также вследствие использования последовательно соединенных обмоток и подборных резисторов в качестве фазосдвигающей цепи, т, е, исключить специальный фазосдвигающий узел (цепь), входящий в состав устройствапрототипа; уменьшить температурную погрешность измерения, обусловленную температурной нестабильностью датчика ввиду асимметрии условий работы рабочей и компенсационной частей вследствие шунтирующего действия на вторичную рабочую обмотку рабочей части чувствительного элемента фазосдвигающей цепи, которая в устройстве-прототипе подключена параллельно вторичной обмотке рабочей части и приводит к паразитному изменению фазы суммарного сигнала за счет непропорционального изменения по величине геометрически суммируемых сигналов при воздействии температуры.

В предлагаемом датчике шунтирующее действие фазосдвигающего контура на вторичную обмотку рабочей части исключено, так как необходимый сдвиг по фазе между суммируемыми напряжениями устанавливается за счет использования последовательно соединенных обмоток и подборных резисторов.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 — схема индуктивного датчика; на фиг, 3 — векторная диаграмма работы устройства, Устройство для измерения перемещений содержит блок 1 питания, индуктивный датчик 2 перемещений (чувствительный элемент), выполненный в виде рабочей обмотки

6 и компенсационной обмотки 7, последовательно с которыми включены подборные резисторы R 1* и R 2*, рабочий 4 и компенсационный 3 якори и дифференциальный усилитель (сумматор) 8, первый вход которого подключен к точке соединения подборного резистора R 1* с компенсационной обмоткой 7, второй вход сумматора подключен к точке соединения подборного резистора R 2* с рабочей обмоткой 6, свободные выводы резисторов R 1* и R 2* соединены с выходом блока 1 питания, шина нулевого потенциала подключена к общей точке соединения свободных выводов рабочей 6 и компенсационной 7 обмоток и к общим выводам блока 1 питания и дифференциального усилителя 8.

Индуктивный датчик 2 перемещений представляет собой (фиг. 2) ферромагнитный корпус 9, внутри которого размещен ферромагнитный сердечник 5, на котором расположены рабочая 6 и компенсационная

7 обмотки. В компенсационной половине преобразователя (на фиг, 2 вверху) расположен компенсационный якорь 3, Измерение перемещения ведется относительно рабочего якоря 4.

Устройство работает следующим образом.

Синусоидальное напряжение Un c выхода блока 1 питания, переменного напряжения (см. фиг. 1), имеющего малое внутреннее сопротивление, через подборные резисторы R 1*, R 2* поступает для питания рабочей 6 и компенсационной 7 обмоток датчика 2. При перемещении рабочего якоря 4, например, в сторону увеличения зазора Хр уменьшается индуктивность, а также индуктивное и полное сопротивление рабочей обмотки 6 датчика. Так как блок 1 питания имеет малое внутреннее сопротивление, то при уменьшении полного сопротивления обмотки 6 уменьшается по амплитуде сигнал Up(x), снимаемый с точки соединения подборного резистора R 2* с обмоткой 6, по закону, близкому к экспоненциальному.

Между компенсационным напряжением (снимаемым с точки соединения подборного резистора R 1* и компенсационной обмотки 7) 0» и рабочим напряжением Up(x) путем подбора резисторов R 1*, R 2* уста1737259 навливается угол сдвига фаз Ъ более Оо, но менее 10о Напряжение U» и Ор(х), изменяющееся в функции перемещения Х, поступают соответственно на прямой и инверсный входы сумматора 8. 5

На инверсном входе дифференциального усилителя 8 производится инверсия напряжения Up(x) по фазе на 180о, и сдвиг фаз .о между напряжением 0» и инвертированным напряжением U р(х) определяется вы- 10

I раже нием

1 80 — po = Ч о .

Напряжения О» и U p(x), сдвинутые по

1 фазе на угол уЪ, геометрически суммируются на дифференциальном усилителе 8, с выхода которого снимается суммарное напряжение U с изменяющейся фазой реы» в функции перемещения, т. е. выходным сигналом датчика 2 является угол у ы» суммарного напряжения 0 относительно 20 напряжения О», снимаемого с компенсационной обмотки.

Функция преобразования устройства определяется выражением з;и р 25 вых =arctg О, (2)

cos Ч о + —,—

Оk

0 p/x) где р Bblx — фаза суммарного напряжения

0 относительно фазы напряжения U ком- 30 пенсационной обмотки;

Ч о — угол сдвига фаз между геометрически суммируемыми напряжениями U» и

U p(x).

При изменении напряжения U p(x) в 35

1 функции перемещения меняются величина и направление вектора суммарного напряжения 0, т. е. меняется угол уюты», что поясняет векторная диаграмма на фиг. 3, где индексом "н" обозначены сигналы уст- 40 ройства в начале диапазона измерения, а индексом "к" — в конце диапазона измерения.

Отношение в выражении (2) 45

0 ,(x) является функцией зазора Хр между рабочим торцом датчика 2 и рабочим якорем 4, причем указанное отношение в диапазоне измерения меняется по закону, близкому к 50 экспоненциальному, в то время как зависимость фазы суммарного напряжения sx

Uk от отношения, изменяется по зако0 p (.х ) ну арктангенса, причем максимальную крутизну эта зависимость имеет при

1. Кроме того, крутизна характе,(х) ристики р,ы» = f (, ) зависит от выбоUk

up, (х) ра угла Чо между геометрически суммируемыми напряжениями О» и U p(x). Чем ближе

1 угол V> к 180о, тем больше крутизна зави0 симости р ы» = 1 (, ) Поэтому, выир (х) бирая соответствующий угол Чо между напряжениями 0» и U p(x) и обеспечивая их равенство в точке диапазона измерения, где крутизна зависимости, f(xp) неUk

Up(х) значительна, а крутизна зависимости уЪых

Uk

= f() максимальна, можнодобитьUp (x) ся значительной линеаризации функции р вых=т(Хр)

Для индуктивных (трансформаторных) датчиков экспериментал ьно установлено, что максимальная линейность выходной характеристики p s x =f(Xp) обеспечивается при Чо в начале диапазона измерения (170 — 179) и при балансировке напряжений

0» и U p(x) в точке, расположенной ближе к

1 концу диапазона измерения.

Для получения максимальной линейности выходной характеристики датчика производят его регулировку следующим образом.

С помощью подборных резисторов R 1* или R 2* фазосдвигающих цепей (элементы

R 1* — L1 или R 2* — L2) задают угол ро (в рекомендуемом варианте 1 — 10о). Компенсационный якорь 3 располагают относительно обмотки 7 с зазором Х»=Хр, где Xp — максимальное значение диапазона измерения.

Снимают предварительную градуировочную характеристику, относительно которой ведется дальнейшая регулировка. При регулировке перемещением компенсационного якоря 3 вдоль корпуса 9 датчика меняют крутизну характеристики p»x-f(x) a конце диапазона измерения, а изменением угла

Ч о=180 — ро с помощью фазосдвигающих цепей R1* — L1 (или R2* — L2) изменяют крутизну характеристики в начале диапазона измерения. Таким образом, изменением угла

Ч о и перемещением компенсационного якоря 3 вдоль корпуса 9 добиваются необходимой линейности устройства.

Уменьшение температурной погреш ности достигается тем, что в предлагаемом устройстве необходимый угол сдвига фаз V между сигналами О» и Up(x) устанавливается с помощью подборного резистора R 1* (или R

*)

2, который включен последовательно с обмоткой 7 (или обмоткой 6), т. е. в качестве фазосдвигающей цепи типа L — R использу1737259 ется индуктивность обмотки (элемент конструкции датчика 2 перемещений) и резистор

R . При этом параллельно рабочей 6 и компенсационной 7 обмоткам, с которых снимаются сигналы U>(x) и Ок, подключены входы дифференциального усилителя 8 с большим вход н ы м и м и еда н с о м (2evxL1=2eex42«

«2ех.12ех.2), которые не оказывают шунтируащего действия на обмотки. При воздействии температуры на датчик 2 перемещений обмотки 6 и 7 находятся в одинаковых условиях электрического нагружения, так как входные импедансы входов дифференциального усилителя 8 имеют величину одного порядка (2ex.1диф.усил.Ф2ex2»2evx.кат.инд) ° П оэтому одинаковые изменения от воздействия температуры выходных сопротивлений рабочей и компенсационной обмоток (Л2вых.pae=

=Л28ых.xoMn.), имеющих одинаковое количество витков, обусловливают одинаковые изменения напряжений Up(x) и Ux, а вследствие того, что эти напряжения геометрически суммируются, то фаза выходного Ll напряжения р вых не изменяется, т. е, уменьшается температурная погрешность, 5 Формула изобретения

Устройство для измерения перемещений, содержащее блок питания, дифференциальный усилитель, индуктивный датчик перемещения с магнитопроводом. рабочей

10 и компенсационной обмотками и шину нулевого потенциала, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения температурной погрешности измерения, в него введены первый и второй резисторы, выход блока

15 питания через соответственно первый и второй резисторы подключен к началам соответственно рабочей и компенсационной обмоток, концы которых подключены к шине нулевого потенциала, начала компенса20 ционной и рабочей обмотки подключены соответственно к прямому и инверсному входам дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства.

1737259 (/р(х) к

Е н

D (х)

Составитель Н.Конаков

Редактор Л.Веселовская Техред M.Ìîðãåíòàë Ко р ре кто р С. Ш евкун

Заказ 1883 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101