ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 1996 года по МПК G01B7/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для преобразования линейных перемещений в электрический сигнал.

Известен преобразователь больших линейных перемещений, содержащий магнитопровод с размещенными на нем двумя секциями обмотки возбуждения, тремя корректирующими обмотками и распределенной измерительной обмоткой, связанный с объектом контроля якорь, причем одна из корректирующих обмоток выполнена с нелинейным распределением витков по длине магнитопровода, размещена между двумя другими и включена последовательно-согласно с измерительной обмоткой и последовательно-встречно с корректирующими [А.с. СССР N 1262269, кл. G 01 В 7/00, опубл. 07.10.86, БИ N 37]
Недостаток этого преобразователя состоит в сложности практической реализации функции распределения витков корректирующих обмоток и связанным с этим снижении точности воспроизведения линейной выходной характеристики.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является дифференциально-трансформаторный преобразователь линейных перемещений соленоидального типа, содержащий подвижный сердечник, охватывающий его снаружи цилиндрический каркас с кольцевыми проточками, в которых уложены секции обмотки возбуждения и измеpительной обмотки. Секции обмотки возбуждения соединены согласно-последовательно. Измерительная обмотка выполнена в виде двух встречно-соединенных полуобмоток, секции которых уложены в два слоя, количество витков в каждой секции одной полуобмотки изменяется по длине каркаса по возрастающей арифметической прогрессии, а в секциях другой полуобмотки по убывающей арифметической прогрессии так, что суммарное число витков в секциях обеих полуобмоток, уложенных в общей проточке, было неизменным по всей длине каркаса [А.с. СССР N 783571, кл. G 01 В 7/00, опубл. 30.11.80, БИ N 44 (прототип)]
Однако в известном преобразователе отсутствует связь между геометрическими размерами измерительной обмотки и сердечника и точностью воспроизведения функции преобразования, что не позволяет получить наилучшей линейности в выбранном диапазоне перемещений.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности за счет регулирования линейности выходной характеристики преобразователя.

Указанная цель достигается тем, что в трансформаторном преобразователе линейных перемещений соленоидального типа, содержащем цилиндрический каркас из диэлектрического материала, равномерно распределенную по его длине обмотку возбуждения и многосекционную измерительную обмотку, секции которой выполнены с заданным шагом Δ на каркасе, и установленный с возможностью линейного перемещения вдоль продольной оси преобразователя ферромагнитный сердечник, секции измерительной обмотки выполнены с возможностью изменения числа витков и полярности включения каждой из них, средний диаметр измерительной обмотки составляет (3÷5)Δ, диаметр сердечника составляет 0.6 0.9 от диаметра измерительной обмотки, а отношение длины сердечника к его диаметру составляет 2 3, а также тем, что измерительная обмотка выполнена состоящей из 20 секций разделенных на две группы, причем секции 1, 2, 4, 5, 8, 9, 10 одной группы включены между собой последовательно-согласно, секции 3, 6, 7, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 другой последовательно-встречно с секциями первой группы, числа витков в секциях 1 20 выбраны в соотношении 1- 0.2- 0.02- 0.31- 0.19- 18- 0.27- 0.14- 0.73- 0.5- 0.45- 1.48- 1.85- 1.1- 0.7- 0.81- 1.27- 1.17- 1.02- 1.16, а отношение шага D размещения секций к их среднему диаметру выбрано равным 0.25, отношение диаметра сердечника к среднему диаметру измерительной обмотки 0.9, и отношение длины сердечника к его диаметру 2.5.

Наличие неизвестных ранее количественных характеристик при отсутствии, в известной авторам литературе, закономерности их получения обеспечивает заявляемым признакам соответствие критерию "существенные отличия".

Авторам неизвестны технические решения содержащие признаки, являющиеся в заявленном техническом решении новыми, отличительными.

На фиг.1 представлена конструкция предложенного преобразователя линейных перемещений; на фиг. 2 показана схема соединений секций измерительной обмотки; на фиг.3 выходные характеристики известного преобразователя (прототипа) и предлагаемого трансформаторного преобразователя линейных перемещений; на фиг.4 зависимость точности реализации линейной функции преобразования трансформаторного преобразователя линейных перемещений от числа секций измерительной обмотки.

Преобразователь содержит (фиг.1) цилиндрический каркас 1, выполненный из диэлектрика и охватывающий подвижный ферромагнитный сердечник 2. На каркасе расположена равномерно распределенная по его длине обмотка возбуждения 3, а в кольцевых проточках секционированная измерительная обмотка 4, с числом секций равным 20.

Устройство работает следующим образом: когда подвижный ферромагнитный сердечник 2 полностью выведен информационный сигнал на выходе измерительной обмотки отсутствует. Перемещение контролируемого объекта влечет за собой перемещение ферромагнитного сердечника 2 вдоль оси каркаса 1. В результате изменяется величина ЭДС в секциях измерительной обмотки 4 за счет изменения индукции электромагнитного поля, выходной сигнал измерительной обмотки примет новое значение. Для линеаризации выходной характеристики преобразователя соотношение Gi между числом витков в секциях измерительной обмотки и полярность их включения выбирается в соответствии с выражением:

где F(х) выходная характеристика преобразователя;
E_i(x, Х_i) функция влияния i-той секции измерительной обмотки на выходной сигнал преобразователя; зависящая от положения сердечника х и координаты Х_i секции, определяется величиной ЭДС, наводимой в i-той секции.

Функция влияния Е_i(х,Х_i) -ЭДС i-той секции может быть получена расчетным путем [см. Стеблев Ю.И. Скоробогатов Е.Г. Фефелов И.И. Программный модуль расчета и оптимизации электромагнитных датчиков линейных перемещений //Сб. науч. тр. КуАИ Оптоэлектронные и электромагнитные датчики механических величин, 1988] или определена экспериментально. Очевидно, вид Е_i определяется, прежде всего, геометрическими размерами секций, сердечника, расположением секций относительно сердечника, количеством витков в секции, материалом сердечника. Последний параметр является мультипликативной составляющей одинаковой для всех Е_i, может быть выделен компенсационной обмотки (Е_k(x)=const) и на линейность функции преобразования не влияет. Геометрические размеры секций целесообразно описать интегральными характеристиками, такими как средний диаметр измерительной обмотки и шаг расположения секция. При этом, секции рассматриваются как плоские круговые контуры.

При известных Е(_i(x, X_i), i=1 20 возможно достижение цели - получение наилучшей линейности путем оптимального подбора коэффициентов включения секций по методу среднего приближения:
,
где E(Х_k; G_i, i=1 20)=F(X_k) Flin.

Коэффициенты G_i, при этом, определяются из системы уравнений
dJ/dG_i=0
Согласно заявляемому изобретению средний диаметр измерительной обмотки 4 составляет (3 4.5) от величины шага Δ секций, диаметр сердечника 2 - (0.6 0.9) от диаметра измерительной обмотки 4, а отношение длины сердечника к его диаметру составляет (2 3). Превышение указанных верхних пределов приводит к сужению диапазона перемещений более чем в два раза, что ухудшает эксплуатационные характеристики, а снижение их ниже указанных пределов к существенному росту нелинейности преобразования из-за изменения потокосцепления измерительной обмотки.

Измерительная обмотка выполнена из 20 секций, т.к. повышение точности за счет дробления измерительной обмотки на большее число секций ограничено. Как следует из графика на фиг.4, увеличение числа секций при неизменном диапазоне перемещений, например, на две, относительно заявляемой конструкции приведет к снижению относительной нелинейности с примерно 0.1 до 0.05% Однако из-за конструктивных погрешностей такую линейность получить затруднительно. С другой стороны, уменьшение числа секций приведет к прогрессирующему росту погрешности нелинейности.

Если шаг D расположения неизменен, то увеличение числа секций приведет к появлению неработающих секций, ЭДС которых не меняется при перемещении сердечника, а следовательно к избыточности конструкции преобразователя. Уменьшение к сужению диапазона преобразования, росту нелинейности.

Секции измерительной обмотки 4 разделены на две группы, секции 1, 2, 4, 5, 8, 9, 10 одной группы включены между собой последовательно-согласно, секции 3, 6, 7, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 другой - последовательно-встречно с секциями первой группы, числа витков в секциях 1 - 20 выбраны в соотношении 1- 0.2- 0.02- 0.31- 0.19- 0.18- 0.27- 0.14- 0.73- 0.5- 0.45- 1.48- 1.85- 1.1- 0.7- 0.81- 1.27- 1.17- 1.02- 1.16.

Именно эти соотношения для числа витков в секциях являются оптимальными для выбранных отношений: шага размещения секций к их среднему диаметру 0.25, диаметра сердечника к среднему диаметру измерительной обмотки 0.9, длины сердечника к его диаметру 2.5. Изменение любого из приведенных параметров, в сторону уменьшения или увеличения, ведет к ухудшению линейности выходной характеристики преобразователя.

Таким образом, оптимальным подбором конструкционных характеристик в предложенном трансформаторном преобразователе улучшена линейность выходной характеристики, что соответственно повышает точность преобразования линейных перемещений. ЫЫЫ1 ЫЫЫ2 ЫЫЫ3

Использование: в измерительной технике для преобразования линейных перемещений в электрический сигнал. Сущность изобретения: преобразователь содержит цилиндрический каркас 1 из диэлектрического материала, равномерно распределительную по его длине обмотку возбуждения 3 и 20 секций измерительной обмотки 4, секции выполнены с возможностью изменения числа витков и полярности включения каждой из них разделены на две группы, секции одной группы включены последовательно-согласно и последовательно-встречно секциям другой группы, числа витков в секциях находятся в заданном отношении, средний диаметр измерительной обмотки, шаг расположения секций, диаметр и длина сердечника 2 связаны указанными отношениями. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Трансформаторный преобразователь линейных перемещений, содержащий цилиндрический каркас из диэлектрического материала, равномерно распределенную по его длине обмотку возбуждения, многосекционную измерительную обмотку, секции которой выполнены с различным числом витков и размещены с шагом Δ на каркасе, и установленный с возможностью линейного перемещения вдоль продольной оси преобразователя ферромагнитный сердечник, отличающийся тем, что секции измерительной обмотки выполнены с возможностью изменения числа витков и полярности включения каждой из них, средний диаметр измерительной обмотки составляет (3-4,5) D, диаметр сердечника составляет 0,6-0,9 диаметра измерительной обмотки, а отношение длины сердечника к его диаметру составляет 2-3. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что измерительная обмотка выполнена состоящей из 20 секций, разделенных на две группы, секции 1, 2, 4, 5, 8, 9, 10 одной группы включены между собой последовательно-согласно, секции 3, 6, 7, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 другой группы - последовательно-встречно с секциями первой группы, числа витков в секциях 1-20 выбраны в соотношении 1-0,2-0,02-0,31-0,19-0,18-0,27-0,14-0,73-0,5-0,45-1,48-1,85-1,1-0,6-0,81-1,27-1,17-1,02-1,16, а отношение шага размещения секций к их среднему диаметру выбрано равным 0,25, отношение диаметра сердечника к среднему диаметру измерительной обмотки 0,9, и отношение длины сердечника к его диаметру 2,5.