УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 1994 года по МПК G01B7/14 G01R17/10 

Изобретение относится к области приборостроения, а точнее к измерительной технике, содержащей индуктивные датчики перемещений.

Известны устройства для измерения перемещений с различными схемами включения индуктивных датчиков. Одной из наиболее распространенных схем включения является мостовая схема, содержащая в двух плечах обмотки дифференциального индуктивного датчика, а в двух других плечах - уравновешивающие сопротивления. В измерительную диагональ мостовой схемы включается индикатор сигнала с большим сопротивлением (усилитель и вольтметр) или с малым сопротивлением (амперметр, гальванометр). Для придания устройству свойства фазовой чувствительности индикатор сигнала (вольтметр или амперметp) включается через выпрямительную схему. В качестве прототипа принимается устройство с малым сопротивлением индикатора сигнала, измеряющего величину электрического тока в измерительной диагонали мостовой схемы. Для придания свойства фазовой чувствительности в прототипе применяется выпрямительная схема.

Целью изобретения является повышение точности измерения и упрощение устройства за счет исключения выпрямительной схемы без потери свойства фазовой чувствительности.

Эта цель достигается тем, что устройство для измерения перемещений, содержащее индуктивный дифференциальный датчик, мостовую схему, в два плеча которой включены обмотки датчика, а в два других плеча - уравновешивающие сопротивления, источник питания, включенный в диагональ питания мостовой схемы, снабжено в качестве индикатора сигнала ваттметром, токовая обмотка которого включена в измерительную диагональ мостовой схемы, обмотка напряжения включена в диагональ питания мостовой схемы параллельно источнику питания; величины сопротивлений уравновешивающих резисторов выбираются из условия, чтобы значения коэффициента А было больше по крайней мере на порядок коэффициента В, причем
Ia= U, где A = Re { Z[(r₁ + r₃) + j(x₁ + x₃)] } + 2(r₁r₃-x₁x₃);
B = Im{ Z[(r₁ + r₃) + j(x₁ + x₃)] } + 2(r₁x₃ + r₃x₁);
U - напряжение источника питания;
x₁x₃ - реактивные сопротивления обмоток датчика;
r₁r₃ - активные сопротивления обмоток датчика;
Z - сопротивления уравновешивающих плеч мостовой схемы.

На чертеже представлена схема заявляемого устройства для измерения перемещений.

Устройство содержит дифференциальный индуктивный датчик, обмотки 1 и 3 которого включены в два плеча мостовой схемы, в два других плеча включены уравновешивающие резисторы 2 и 4. Источник питания 5 включен в диагональ питания мостовой схемы. В измерительную диагональ мостовой схемы включена токовая обмотка 6 ваттметра непосредственно или, для увеличения чувствительности устройства, через трансформатор 8. Обмотка напряжения 7 ваттметра подключена к диагонали питания мостовой схемы.

Устройство работает следующим образом.

В равновесном положении якоря датчика, когда сопротивления обмоток равны, мостовая схема находится в состоянии баланса и величина тока в ее измерительной диагонали равна нулю. Действие датчика основано на преобразовании перемещения якоря в изменение индуктивности обмоток. При этом величина тока I_о в измерительной диагонали мостовой схемы определяется следующим выражением (для случая, если сопротивление токовой обмотки ваттметра много меньше, по крайней мере на порядок сопротивления мостовой схемы со стороны зажимов индикатора сигнала): I₀= U , (1) где U - напряжение источника питания;
Z₁, Z₃ - сопротивления обмоток датчика;
Z₂, Z₄ - сопротивления уравновешивающих плеч мостовой схемы.

Выражение (1) может быть записано в следующем виде:
I₀= U, (2) где A = Re { Z[(r₁ + r₃) + j(x₁ + x₃)] } +
+ 2(r₁r₃-x₁x₃); (3)
B = Im { Z[(r₁ + r₃) + j(x₁ + x₃)] } +
+ 2(r₁x₃ + r₃x₁); (4)
x₁, x₃ - реактивные сопротивления обмоток датчика;
r₁, r₃ - активные сопротивления обмоток датчика;
Z = Z₂ = Z₄ - сопротивления уравновешивающих плеч мостовой схемы Умножая числитель и знаменатель формулы (2) на комплексную величину A-jB, имеем
I₀= U +j= I_a+jIr. (5)
Далее, умножая числитель и знаменатель действительной части на 1/B, а мнимой части на 1/А, имеем
I₀= U +j (6)
Перемещение якоря датчика вызывает, в основном, изменение реактивных сопротивлений обмоток x₁ и x₃, но имеет место также изменение активных потерь в обмотках датчика, что характеризуется наличием разности (r₃-r₁) в формулах (2), (5) и (6) и ведет к погрешности измерения перемещения.

Погрешность может быть уменьшена путем выбора значений сопротивлений уравновешивающих плеч Z. При выборе такого значения Z, что В >> А, по крайней мере, в 10 раз и более, активная составляющая тока в формуле (6) пропорциональна разности x₃-x₁, так как членом A/B·(r₃-r₁) можно пренебречь ввиду его малости.

При значениях добротности обмоток датчика, больших единицы, т. е. при x₁x₃ > >r₁r₃, когда разность (r₁r₃-x₁x₃) в формуле (3) отрицательна, для уменьшения значения коэффициента А необходимо второе слагаемое в формуле (3) иметь положительным. Это может быть достигнуто применением в качестве уравновешивающих сопротивлений Z активных сопротивлений R. Формулы (3) и (4) в этом случае принимают следующий вид:
A = R(r₁ + r₃) + 2(r₁r₃-x₁x₃); (7)
B = R(x₁ + x₃) + 2(r₁x₃ + r₃x₁). (8)
Численное значение R в большинстве случаев достаточно определять по формуле (7), минимизируя А с учетом реальных сопротивлений обмоток датчика r₁, x₁, r₃ и x₃ в равновесном режиме при неотклоненном якоре. Приравнивая в формуле (7) А = 0, получаем выражение для R:
R= . (9)
Погрешность измерения перемещений, вызванная нестабильностью значений r₁ и r₃, уменьшается тем сильнее, чем больше значение коэффициента B по сравнению с коэффициентом А, что непосредственно следует из формулы (6).

Для дальнейшего повышения точности измерения при выборе уравновешивающих сопротивлений плеч мостовой схемы в целях оптимальной минимизации коэффициента А рекомендуется в формуле (9) использовать значения сопротивлений обмоток индуктивного датчика не в равновесном режиме, а с учетом их возможных температурных изменений в процессе работы.

При этом изменение показаний индикатора сигнала связано с изменением только активной составляющей тока, в измерительной диагонали мостовой схемы, что достигается использованием в качестве индикатора сигнала ваттметра, включенного по описанной выше схеме.

Таким образом, по показаниям ваттметра можно судить о величине перемещения якоря датчика, так как этой величиной определяются значения сопротивлений Z₁ и Z₃ и, следовательно, ток, протекающий через обмотку ваттметра. По направлению отклонения указателя ваттметра, соответствующему направлению тока I_о, можно судить о знаке разности Z₃-Z₁ и, следовательно, 0 направлении перемещения якоря. Таким образом, ваттметр придает устройству свойство фазовой чувствительности. Необходимость в наличии выпрямительных схем отпадает. (56) Проектирование датчиков для измерения механических величин. М. : Машиностроение, 1979, с. 217, рис. 9.2.

Алейкин С. и др. Датчики контроля и регулирования. М. : Машиностроение, 1965, с. 105, фиг. 1. 85.

Использование: для точного измерения перемещений. Сущность изобретения: устройство, принципиальная схема которого изображена на чертеже, содержит дифференциальный индуктивный датчик, мостовую схему, в два плеча которой включены обмотки датчика 1 и 3, а в два других плеча - уравновешивающие сопротивления 2 и 4, источник питания 5, включенный в диагональ питания мостовой схемы, ваттметр в качестве индикатора сигнала, токовая обмотка 6 которого включена в измерительную диагональ мостовой схемы непосредственно или, с целью повышения чувствительности мостовой схемы, через трансформатор, обмотка напряжения ваттметра 7 включена в диагональ питания мостовой схемы. Выбор величин сопротивлений уравновешивающих резисторов 2 и 4 минимизирует погрешность измерения перемещений путем уменьшения влияния нестабильности активных сопротивлений обмоток датчика. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее индуктивный дифференциальный датчик, мостовую схему, в два плеча которой включены обмотки датчика, а в два других плеча - уравновешивающие резисторы, источник питания, включенный в диагональ питания мостовой схемы, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и упрощения устройства, в качестве индикатора сигнала используется ваттметр, токовая обмотка которого включена в измерительную диагональ мостовой схемы, обмотка напряжения включена в диагональ питания мостовой схемы параллельно источнику питания, величины сопротивлений уравновешивающих резисторов выбираются из условия, чтобы значение коэффициента A было больше по крайней мере на порядок коэффициента B, причем
I_a= U ,
где
A= Re{ Z[(r₁+r₃)+j(x₁+x₃)] } +2(r₁r₃-x₁x₃) ;
B= Im{ Z[(r₁+r₃)+j(x₁+x₃)] } +2(r₁x₃+r₃x₁) ;
U - напряжение источника питания,
x₁, x₃ - реактивные сопротивления обмоток датчика,
r₁, r₃ - активные сопротивления обмоток датчика,
Z - сопротивление уравновешивающих плеч мостовой схемы. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности устройства, токовая обмотка ваттметра включена в измерительную диагональ мостовой схемы через трансформатор тока.