Фазовый датчик линейных перемещений

Изобретение относится к области измерений и предназначено для преобразования линейного перемещения в пропорциональный ему фазовый сдвиг между выходным напряжением и опорным напряжением генератора. Сущность: датчик содержит информационную линейку, состоящую из магнитопровода с зубцами равной длины, магнитный шунт из ферромагнитного материала, способный перемещаться вдоль магнитопровода. На зубцы магнитопровода уложены три обмотки, активные стороны которых расположены параллельно оси информационной линейки. Количество витков одной из обмоток изменяется по синусоидальному закону в зависимости от порядкового номера зубца. Количество витков второй обмотки изменяется по косинусоидальному закону. Количество витков третьей обмотки одинаково на всех зубцах, и она охватывает количество зубцов, равное периоду укладки синусной и косинусной обмотки. Технический результат: повышение надежности и снижение погрешности измерений. 4 ил.

 

Изобретение относится к области измерения неэлектрических величин электрическими методами, может быть использовано в автоматике и измерительной технике и предназначено для преобразования линейного перемещения в пропорциональный ему фазовый сдвиг между выходным напряжением и опорным напряжением.

Известен датчик, содержащий генератор, дискретную линейку с бифилярной обмоткой, блок считывания в виде двух магнитных головок и блок обработки измеряемого сигнала [1]. Однако такой датчик имеет накапливаемую систематическую погрешность и, кроме этого, при отключении и последующем восстановлении питания выдает ложную информацию.

Известен преобразователь перемещения [2], состоящий из генератора, информационной линейки в форме меандра, чувствительного элемента в виде Ш-образной магнитной головки и устройства обработки информации. Однако он обладает низкой надежностью, так как теряет и не восстанавливает информацию после различного рода нарушений режима работы. Известен датчик линейных перемещений [3], состоящий из информационной линейки и трансформатора с разомкнутым сердечником. Информационная линейка разбита на N участков, на каждом из которых вдоль оси измеряемого перемещения уложена обмотка таким образом, что активные стороны параллельны оси линейки. Намагничивающая сила каждого участка линейки пропорциональна расстоянию от начала отсчета до середины этого участка. Через воздушный зазор трансформатора введена активная сторона выходной обмотки информационной линейки. Недостаток такого датчика заключается в том, что две обмотки, расположенные на перемещающемся вдоль линейки трансформаторе, соединены с вторичной аппаратурой гибкими проводниками, которые при циклических перемещениях быстро ломаются. Вследствие этого снижается надежность датчика.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению следует считать датчик линейных перемещений [4], схематично изображенный на фиг.1. Датчик состоит из информационной линейки 1, магнитопровода 2, направляющих магнитопровода 3, повышающего трансформатора 4 и компенсационной обмотки 5. Направляющие передвижения магнитопровода являются одновременно одновитковой обмоткой съема информации. Обмотка информационной линейки выполнена таким образом, что количество активных проводников каждого участка определяется числом W_k=ck, где число k является порядковым номером участка, а с - постоянная величина, равная количеству витков первого участка. Активные части обмотки введены в магнитопровод 2. Толщина Ш-образного сердечника выбирается равной или в целое число раз большей длины участка. Во всем диапазоне перемещений магнитный поток магнитопровода прямо пропорционален его перемещению. Для компенсации электродвижущей силы, наводимой в направляющих магнитным потоком обмотки информационной линейки при отсутствии Ш-образного магнитопровода, введена компенсационная обмотка 5. Таким образом, при перемещении магнитопровода действующее значение выходного напряжения будет пропорционально расстоянию от начала отсчета до середины подвижного магнитопровода.

Для питания датчика должен использоваться генератор с высокостабильным напряжением, так как в качестве информационного параметра выходного напряжения используется амплитуда, зависящая от амплитуды питающего напряжения. Амплитуда выходного напряжения, кроме этого, в значительной степени зависит от температурной стабильности параметров электромагнитных материалов, использованных в датчике.

Недостатком датчика, выбранного в качестве прототипа, является наличие повышающего трансформатора и компенсационной обмотки, что снижает надежность и повышает погрешности измерений.

Изобретение направлено на повышение надежности и снижение погрешности измерений. Это достигается тем, что в фазовом датчике линейных перемещений, содержащем информационную линейку, обмотки, магнитный шунт из ферромагнитного материала, установленный с возможностью перемещения вдоль информационной линейки, согласно предлагаемому изобретению на информационной линейке расположен магнитопровод с N зубцами равной длины, расположенными вдоль оси информационной линейки и отстоящими друг от друга на равном расстоянии, на которых уложены три обмотки, количество витков одной из которых изменяется по синусоидальному закону в зависимости от расстояния от начала информационной линейки до середины k-го зубца (k=1...N), количество витков второй обмотки изменяется по косинусоидальному закону в зависимости от того же расстояния, а количество витков третьей обмотки одинаково на всех зубцах, и она охватывает количество зубцов, равное периоду укладки синусной и косинусной обмотки.

Две обмотки - синусная и косинусная - подключены к шинам двухфазного источника синусоидального напряжения. Третья обмотка является выходной и подключена к выходным шинам датчика. Начальная фаза синусоидального напряжения на шинах выходной обмотки изменяется пропорционально перемещению магнитного шунта.

На фиг.2 схематично представлена конструкция фазового датчика линейных перемещений.

На фиг.3 представлена блок-схема измерительного устройства.

На фиг.4 представлен график распределения удельного магнитного потока вдоль оси информационной линейки.

Фазовый датчик линейных перемещений (фиг.2) состоит из информационной линейки, содержащей:

1 - синусную обмотку,

2 - косинусную обмотку,

3 - выходную обмотку и

4 - магнитопровод информационной линейки,

и магнитного шунта 5.

Магнитопровод информационной линейки Т-образого сечения в плоскости, перпендикулярной продольной оси длиной l, имеет N зубцов. Длины всех зубцов равны l/N. На зубцы уложены три обмотки. Одна из обмоток называется синусной, вторая обмотка называется косинусной, а третья обмотка называется выходной. Активными сторонами всех обмоток являются проводники, расположенные с внешних сторон зубцов параллельно оси линейки, а не проводники, расположенные в межзубцовых пазах.

Число витков синусной обмотки зависит от порядкового номера зубца и определяется по формуле:

В приведенной формуле: W_sk - число витков синусной обмотки на k-ом зубце, W_m - максимальное количество витков, N - количество зубцов информационной линейки, k - порядковый номер зубца, изменяющийся от 1 до N. Отрицательное значение количества витков, полученное в результате расчета по приведенной формуле, соответствует измененному направлению намотки витков.

Число витков косинусной обмотки изменяется по косинусоидальному закону в зависимости от порядкового номера зубца и определяется по формуле:

Где k=1; 2;... N, W_ck - количество витков косинусной обмотки на k-ом зубце.

При практической реализации обмоток расчетное количество витков, которое, чаще всего, является дробным числом, округляется до целого значения. Более подробно о реализации синусоидально распределенных обмоток можно узнать в работах Д.А.Завалишина и В.В.Хрущева [5, 6].

Выходная обмотка 3 имеет одинаковое число витков W_r на всех зубцах информационной линейки.

Датчик является частью устройства для измерения линейных перемещений. Измерительное устройство (фиг.3) содержит: двухфазный генератор 6, фазовый датчик линейных перемещений 7, фазовращатель 8 и фазометр 9, проградуированный в измеряемом перемещении. Напряжения U_c и U_s с двухфазного генератора поданы на вход фазового датчика линейных перемещений и питают синусную обмотку и косинусную обмотку. Выходное напряжение фазового датчика линейных перемещений U_вых подается на фазометр. Для получения опорного напряжения U_on напряжение U_с с выхода двухфазного генератора подается на фазовращатель, который изменяет начальную фазу напряжения. Синусоидальные напряжения U_c и U_s на выходе двухфазного генератора равны по амплитуде и сдвинуты по фазе на угол, равный радиан. Оба выходных напряжения двухфазного генератора U_c и U_s подаются на вход датчика. Одно из выходных напряжений (например, U_c) двухфазного генератора подается на вход фазовращателя для получения на его выходе опорного напряжения U_on. Опорное напряжение фазовращателя U_on и выходное напряжение фазового датчика линейных перемещений U_вых подаются на вход фазометра, который измеряет фазовый сдвиг выходного напряжения относительно опорного напряжения.

Синусная и косинусная обмотки датчика получают питание от двухфазного источника синусоидального напряжения. На зажимы косинусной обмотки 2 (фиг.2) приложено синусоидальное напряжение U_c, поэтому ток обмотки изменяется по следующему закону в функции времени: i_c=I_msinωt, где i_c - мгновенное значение тока косинусной обмотки, I_m - амплитуда токов, ω - угловая частота питающего напряжения. Начальную фазу тока косинусной обмотки примем равной нулю.

На зажимы синусной обмотки 1 (фиг.2) от двухфазного генератора подано синусоидальное напряжение U_s, сдвинутое по фазе относительно напряжения косинусной обмотки U_c на , поэтому ток синусной обмотки будет изменяться по следующему закону в функции времени:

, где i_s - мгновенное значение тока синусной обмотки. Результирующая намагничивающая сила k-го зубца информационной линейки определяется суммой намагничивающих сил обмоток.

Действующее значение результирующей намагничивающей силы к-го зубца будет равно:

Начальная фаза намагничивающей силы к-ого зубца определится уравнением:

таким образом, .

Мгновенное значение намагничивающей силы k-го зубца будет изменяться в функции времени по следующему закону:

При отсутствии магнитного шунта магнитные потоки зубцов будут изменяться по синусоидальному закону в функции времени с равными амплитудами, но с фазовым сдвигом друг относительно друга на угол α=360/N.

При достаточно большом количестве зубцов в момент времени t=t₁ удельный магнитный поток Ф₀(Вб/м) информационной линейки, равный магнитному потоку единицы длины линейки, будет распределен вдоль оси информационной линейки практически по синусоидальному закону в функции x (фиг.4, сплошная линия), х определяет расстояние от начала линейки до рассматриваемой точки. В момент времени t=t₂>t₁ удельный магнитный поток Ф₀ будет распределен вдоль оси информационной линейки также по синусоидальному закону, но синусоида этого распределения будет смещена вправо по оси времени (фиг.4, пунктирная линия). Таким образом, синусная обмотка и косинусная обмотка, питаемые двухфазным генератором, создают магнитное поле, называемое в электротехнике бегущим магнитным полем с длиной волны λ=l. На любом отрезке информационной линейки удельный магнитный поток в функции времени t будет изменяться также по синусоидальному закону. Закон изменения удельного магнитного потока в функции времени t и в функции х описывается формулой:

Силовые линии магнитного поля замыкаются в плоскости, перпендикулярной оси информационной линейки. Направление магнитных силовых линий показано на фиг.2 (удельный магнитный поток Ф₀). На фиг.4 показано распределение удельного магнитного потока вдоль линейки в момент времени t=t₁ (сплошная линия) и в момент времени t=t₂>t₁ (пунктирная линия). Бегущее магнитное поле может быть получено также с помощью трехфазной обмотки, питаемой генератором трехфазной системы напряжений.

Если магнитопровод информационной линейки однороден, то есть его удельное магнитное сопротивление постоянно по всей длине линейки, в любой момент времени поток вектора индукции по поверхности выходной обмотки будет равен нулю. Другими словами, магнитный поток, сцепленный с выходной обмоткой, будет равен нулю, и напряжение на выходе фазового датчика линейных перемещений тоже будет равно нулю. При наложении магнитного шунта нарушается однородность магнитопровода информационной линейки на к-ом участке (фиг.4). Удельное магнитное сопротивление к-го участка уменьшается, а удельный магнитный поток этого участка увеличится в несколько раз. Изменение удельного магнитного потока на к-ом участке при наложении магнитного шунта на информационную линейку показано на графике (фиг.4) заштрихованной областью.

Результирующий магнитный поток выходной обмотки в этом случае не будет равен нулю и определится увеличением магнитного потока в зоне расположения подвижного магнитного шунта. Магнитный поток, сцепленный с выходной обмоткой, будет пропорционален заштрихованной площади графика, изображенного на фиг.4. Начальная фаза выходного напряжения будет определяться начальной фазой результирующего магнитного потока, которая зависит от положения магнитного шунта относительно информационной линейки. При перемещении магнитного шунта, имеющего длину l_ch по направлению оси информационной линейки, от до , начальная фаза выходного напряжения будет изменяться пропорционально перемещению.

Фазовый сдвиг выходного напряжения датчика относительно опорного напряжения будет пропорционален перемещению магнитного шунта относительно информационной линейки. Одно из выходных напряжений двухфазного генератора U_c подано на вход фазовращателя 7 (фиг.3). С помощью фазовращателя начальная фаза опорного напряжения U_on устанавливается таким образом, чтобы его фазовый сдвиг относительно выходного напряжения был равен нулю тогда, когда середина магнитного шунта отстоит от начала информационной линейки на отрезок, равный l_ch/2. При перемещении магнитного шунта фазовый сдвиг выходного напряжения относительно опорного напряжения изменяется по линейному закону в функции х. То есть ϕ=сх. Амплитуда выходного напряжения при перемещении магнитного шунта остается практически неизменной.

Применение предлагаемого устройства позволит повысить точность измерения перемещений, уменьшить температурную погрешность измерений, повысить надежность датчиков линейных перемещений.

Источники информации

1. Авт. свид. СССР N 368482, G 01 В 7/00, G 08 9/04.

2. Авт. свид. СССР N 903930, G 01 В 7/00, G 08 9/04.

3. Авт. свид. СССР N 453560, G 01 В 7/00, G 08 9/04.

4. Патент №2119642 RU 2119642 С1, 6 G 01 В 7/00, G 01 D 5/20 (прототип).

5. Завалишин Д.А. и др. Электрические машины малой мощности. М-Л., Госэнергоиздат, 1963, с.389-391.

6. Хрущев В.В., Левин Б.И. Расчет синусоидально-распределенных обмоток вращающихся трансформаторов. НТИ по приборостроению, вып.3. Судпромгиз, 1957.

Фазовый датчик линейных перемещений, содержащий информационную линейку с обмотками, активные стороны которых параллельны оси информационной линейки, магнитный шунт из ферромагнитного материала, установленный с возможностью перемещения вдоль линейки, отличающийся тем, что на информационной линейке расположен магнитопровод с N зубцами равной длины, расположенными вдоль оси информационной линейки и отстоящими друг от друга на равном расстоянии, на которых уложены три обмотки, количество витков одной из обмоток изменяется по синусоидальному закону в зависимости от порядкового номера зубца и определяется по формуле

количество витков второй обмотки изменяется по косинусоидальному закону и определяется по формуле

где W_m - максимальное количество витков;

N - количество зубцов;

k - порядковый номер зубца (k=1...N),

а количество витков третьей обмотки одинаково на всех зубцах и она охватывает количество зубцов, равное периоду укладки синусной и косинусной обмоток.