ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G01B7/14 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах преобразования информации от датчиков перемещений и связи с цифровым вычислительным устройством.

Известна часть преобразователя перемещения в код (авт. св. СССР N407370, H 03 M 1/22, 1973), образующая измеритель перемещения и содержащая датчик, источник возбуждения с изменяемым направлением следования фаз, блок управления. Недостатком такого измерителя является наличие погрешности от неквадратурности как источника возбуждения, так и датчика.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является часть преобразователя перемещения в код (авт. св. СССР 485482, H 03 M 1/64, 1973), образующая измеритель перемещения и содержащая формирователь возбуждения, опорный формирователь, датчик, четыре перемножителя, составляющие два измерительных канала опорный информационный. Недостатком такого измерителя является наличие погрешности типа дрейфа нуля из-за фазового дрейфа датчика, нестабильности нулей перемножителей, сумматора.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении точности измерения перемещения, технический результат устранение погрешности типа дрейфа нуля. Дополнительный технический результат упрощение за счет исключения одного из измерительных каналов -опорного -, возможность оценки уровня дрейфа нуля.

В первом варианте измерителя перемещения, содержащем формирователь возбуждения (ФВ), у которого вход соединен с одним из выходов генератора частот (Гн), а первый и второй выходы соединены с первым и вторым входами датчика (Дт), два выхода которого соединены с первыми входами первого и второго перемножителей (Пм), выходы которых подключены ко входам сумматора (См), опорный формирователь (ОФ), у которого вход соединен с одним из выходов Гн, а первый и второй выходы соединены со вторыми входами первого и второго Пм, введен блок управления (БУ), ФВ и ОФ выполнены с изменяемым направлением следования фаз, управляющие входы ФВ и ОФ подключены к выходу БУ.

В частных случаях выполнения первого варианта при подключении входов ФВ и ОФ к разным выходам Гн информация заключена в изменении фазы переменного напряжения на выходе См. При введении в измеритель преобразователя фаза-код (ПФК), у которого информационный вход подключен к выходу См, а управляющий вход подключен к выходу БУ, информация вырабатывается в виде кода. В других частных случаях при подключении входов ФВ и ОФ к одному выходу Гн информация заключена в изменении постоянного напряжения и при введении вход подключен к выходу См, управляющий вход подключен к выходу БУ, выход ФК соединен с кодовым входом либо ОФ, либо ФВ, информация вырабатывается в виде кода.

Во втором варианте измерителя перемещения, содержащем ФВ, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами Дт, два выхода которого соединены с первыми выходами первого и второго Пм, выходы которых подключены ко входам См, выход которого подключен ко входу управляемого напряжением генератора (УГ), ОФ, первый и второй выходы которого соединены со вторыми входами первого и второго Пм, Гн, причем выход Гн и выход УГ попарно соединены со входом ФВ и входом ОФ, введен БУ, ФВ и ОФ выполнены с измеряемым направлением следования фаз, управляющие входы ФВ и ОФ подключены к выходу БУ.

На фиг. 1 7 приведены функциональные схемы измерителей перемещений;на фиг. 8, 9 примеры выполнения ФК;на фиг. 10 ФВ, ОФ.

Каждый измеритель перемещений содержит генератор частот Гн1, формирователь возбуждения ФВ2, опорный формирователь ОФ3, датчик Дт4, первый и второй перемножители Пм5, 6, сумматор См7, блок управления БУ8. Кроме того, измеритель на фиг.2 содержит преобразователь фаза-код ПФК9, измеритель на фиг.4, 5 формирователь кода ФК10, измеритель на фиг. 6, 7 управляемый напряжением генератор УГ11.

Измеритель, представленный на фиг. 1, работает следующим образом. При возбуждении Дт4, выполненного на основе синусно-косинусного вращающегося трансформатора, квадратурным напряжением от ФВ2 на его выходах вырабатываются два сигнала U₁ и U₂, поступающие на первые входы первого и второго Пм5, 6, которые можно представить в виде

при первом направлении следования фаз ФВ2, и в виде

при втором направлении следования фаз ФВ2,
где ω частота сигнала Гн1, поступающая на вход ФВ2,
a фазовый сдвиг, пропорциональный углу поворота ротора Дт4.

На вторые входы Пм5 и Пм6 с ОФ3 поступают напряжения

при первом направлении следования фаз ОФ3, и

при втором направлении следования фаз ОФ3,
где ω_o частота сигнала Гн1, поступающая на вход ОФ3.

Выходной сигнал См7 можно представить как
u_Σ1= vcos[(ω-ω_o)t+α+Δα₁+Δα₂]
при первом направлении следования фаз ФВ2 и ОФ3, и
u_Σ2= vcos[(ω-ω_o)t-α+Δα₁+Δα₂]
при втором направлении следования фаз ФВ2 и ОФ3;
где Δα₂ погрешность от дрейфа нулей Пм5, 6, См7.

БУ8 синхронно изменяет направление следования фаз ФВ2, ОФ3.

Замеряя фазы Φ₁ и Φ₂ на выходе См7, например, фазометром, при каждом направлении следования фаз, разность фаз Φ этих замеров будет равна

Таким образом, погрешность типа дрейфа нуля исключается, разрешающая способность увеличивается в два раза.

В частном случае выполнения измерителя, когда применяется Дт4 с одной выходной (в этом случае ОФ3 выполнен однофазным), либо одной входной обмоткой (ФВ2 выполнен однофазным) погрешность типа дрейфа нуля также исключается.

В зависимости от построения ФВ2 и ОФ3 выходы Гн1 могут быть однопроводными (одна частота) и многопроводными (сетка частот). Гн1 может быть построен на основе внутреннего источника колебаний, делителей частоты (ЭДЧ), синтезаторов частот. ФВ2 и ОФ3 могут строиться на основе использования: ПЗУ с синусной и косинусной прошивкой, подключенных к цифро-аналоговым преобразователям, цифровых синтезаторов, аналоговых фильтров, фазорасщепителей.В ряде случаев, используя свойство измерителя на основе Пм фильтровать гармоники сигналов, возможно применение наиболее простых видов сигналов ФВ2(ОФ3) типа меандр. При необходимости ФВ 2 включает в себя усилители мощности по каждому выходу. Изменение направления следования фаз по сигналу на управляющем входе обеспечивается с помощью управляемого инвертора (фазоманипулятора) изменением фазы сигнала по одному из выходов на 180^o, перекрестным подключением выходов к нагрузке с помощью управляемого коммутатора.

БУ8 в соответствии с выполняемой функцией обеспечивать два направления следования фаз может быть построен на основе генератора и ДЧ, обеспечивающий сигнал управления типа меандр: при лог.О ФВ2 и ОФ3 обеспечивают, например, первое направление следования фаз, при лог.1 второе направление следования фаз (потенциальное управление). Возможно импульсное управление по двум линиям связи. Функцию Бу8 может выполнять дополнительный выход Гн1. Выделение БУ8 в самостоятельный функциональный элемент вызвано существенностью признака.

Линии связи на приведенных фигурах отображают функциональное назначение входа-выхода и могут быть однопроводными и многопроводными.

Измеритель, представленный на фиг. 2, дополнен ПФК9 с целью представления информации в коде. Режим работы ПФК9 изменяется БУ8 одновременно с изменением направления следования фаз ФВ2 и ОФ3. Код разности фаз К выходных сигналов См7 будет равен
K = (α+Δα₁+Δα₂)-(-α+Δα₁+Δα₂) = Φ = 2α
ПФК9 одноканальный и может быть построен с использованием метода разновременного сравнения с запоминанием преобразованных сигналов для получения разностной величины /Скрипник Ю.А. Методы преобразования и выделения измерительной информации из гармонических сигналов. Киев, Наукова думка, 1971, с. 4,5). Возможно использование ПФК по авт.св. СССР 407370, включающего бл. 5-11.

Работа измерителя, представленного на фиг. 3, отличается от рассмотренного тем, что частоты ФВ2 и ОФ3 совпадают. В результате постоянная составляющая выходного сигнала См7 будет равна u_Σ1= vcos(α+Δα₁+Δα₂)
при первом направлении следования фаз ФА2 и ОФ3,
u_Σ2= vcos(-α+Δα₁+Δα₂)
при втором направлении следования фаз.

Замеряя полученные значения сигналов при каждом направлении следования фаз, например, вольтметром, их сумма B будет равна
B = 2vcos(Δα₁+Δα₂)cosα
Погрешность от дрейфа нуля заключена в члене cos(Δα₁+Δα₂), который при малых значениях Δα₁+Δα₂ практически равен 1, из чего следует, что погрешность от дрейфа нуля также исключена.

С целью получения информации в коде измерители, представленные на фиг. 4, 5, дополнены ФК10 и используются кодовые входы ОФ3 (фиг. 4) и ФВ2 (фиг. 5). Режим работы ФК10 изменяется БУ8 одновременно с изменением направления следования фаз ФВ2 и ОФ3.

Примеры возможного выполнения ФК10 приведены на фиг. 8, 9. ФК10 на фиг. 8 содержит фильтр (Ф) 12, блок преобразования напряжение частота совместно со знаком (ПИЧ) 13, два переключателя (Пк) 14, 15, два реверсивных счетчика (РС) 16, 17. ФК10 на фиг. 9 содержит Ф12, ПНЧ 13, Пк15, РС16, управляемый инвертор (УИ) 18, формирователь дополнительного кода (ДК) 19.

Измеритель работает по схеме цифрового фазового следящего уравновешивания. С помощью кода, вырабатываемого ФК10 (фиг. 8), фазовый сдвиг ОФ3 (фиг. 4) или ФВ2 (фиг. 5) изменяется до тех пор, пока постоянная составляющая сигнала на входе ФК10 не будет равна 0. При первом направлении следования фаз после окончания переходных процессов на выходе ФК10 с помощью Пк15 будет выставлен код К₁, накопленный в РС16,
K₁ = α+Δα₁+Δα₂
при втором направлении следования фаз код К₂, накопленный в РС17,
K₂ = -α+Δα₁+Δα₂
Взяв код разности K₁ и K₂ получим
K = K₁- K₂ = 2α
что погрешность от дрейфа нуля исключена.

Отличие работы измерителя с ФК10, выполненного на фиг. 9, заключается в том, что постоянная составляющая сигнала, пропорциональна Δα₁+Δα₂, с помощью УИ18 превращается в переменную составляющую и отфильтровывается Ф12.

Возможно построение измерителя с ФК10 (фиг. 8), выполненного без использования Пк, содержащего последовательно соединенные блоки 12, 13, 16. В этом случае код в РС16 последовательно во времени одновременно с изменением направления следования фаз будет изменяться с K₁ на K₂.

ФВ2 и ОФ3 в измерителях фиг. 4, 5 выполняет функцию преобразователя код-фаза (ПКФ). ФВ2(ОФ3) может быть составлен, например, из бл. 11 по авт. св. СССР 924736 с включением по одному из выходов УИ для осуществления направления следования фаз. Возможно использование также цифро-аналоговых фазовращателей на основе суммирования квадратурных составляющих /Цифровые системы фазовой синхронизации. Жодзишский М.И. и др. М. Сов. радио, 1980, с. 46-48, рис. 1,21/.

На фиг. 10 приведена одна из возможных схем ФВ2 (ОФ3) на основе цифрового синтезатора. Она содержит последовательно соединенные РС20, дешифратор 21, два триггера 22, 23. С выходов триггеров снимаются два сигнала типа меандр со сдвигом 90^o, направление следования их фаз меняется направлением счета РС по знаковому входу. Управление сдвигом фазы осуществляется параллельным кодом, подаваемым на вход D.

Рассмотренные структуры ФВ2 (ОФ3) на основе ПКФ могут быть применены в измерителях, приведенных на фиг. 1,2,3,6,7, без использования кодового входа.

В частных случаях выполнения измерителей, когда применен Дт4 с одной входной или одной выходной обмоткой, погрешность от дрейфа нуля исключается.

Отличие измерителей, представленных на фиг. 6, 7, заключается в том, что они работают по схеме не цифрового, а аналогового уравновешивания. С помощью УГII, в состав которого включается фильтр для уменьшения пульсации, при каждом направлении следования фаз фазового сдвига ОФ3 (фиг. 6) или ФВ2 (фиг. 7) изменяется до тех пор, пока постоянная составляющая сигнала на выходе См7 не станет равной 0. Разность фаз двух измерений, полученных при обоих направлениях следования фаз, также не будет содержать погрешности от дрейфа нуля.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах преобразования информации от датчиков перемещений и связи с цифровым вычислительным устройством. Изобретение позволяет повысить точность измерителя за счет устранения погрешности типа дрейфа нуля и упростить измеритель. Это достигается тем, что в измеритель перемещения, содержащий один или два генератора, формирователь возбуждения, опорный формирователь, датчик, два перемножителя, сумматор, введен блок управления, формирователь возбуждения и опорный формирователь выполнен с изменяемым направлением следования фаз. 2 с и 4 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Измеритель перемещения, содержащий датчик, два выхода которого соединены с первыми входами первого и второго перемножителей, выходы которых подключены к входам сумматора, опорный формирователь, первый и второй выходы которого соединены с вторыми входами первого и второго перемножителей, генератор, отличающийся тем, что в него введены формирователь возбуждения и блок управления, формирователь возбуждения и опорный формирователь выполнен с изменяемым направлением следования фаз, управляющие входы формирователя возбуждения и опорного формирователя подключены к выходу блока управления, первый и второй выходы формирователя возбуждения соединены с первым и вторым входами датчика, входы формирователя возбуждения и опорного формирователя соединены с генератором. 2. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что входы формирователя возбуждения и опорного формирователя подключены к разным выходам генератора. 3. Измеритель по п. 2, отличающийся тем, что в него введен преобразователь фаза код, у которого информационный вход подключен к выходу сумматора, а управляющий вход подключен к выходу блока управления. 4. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что входы формирователя возбуждения и опорного формирователя подключены к одному выходу генератора. 5. Измеритель по п. 4, отличающийся тем, что в него введен формирователь кода, у которого информационный вход подключен к выходу сумматора, управляющий вход подключен к выходу блока управления, выход формирователя кода соединен с кодовым входом либо опорного формирователя, либо формирователя возбуждения. 6. Измеритель перемещения, содержащий датчик, два выхода которого соединены с первыми входами первого и второго перемножителей, выходы которых подключены к входам сумматора, опорный формирователь, первый и второй выходы которого соединены с вторыми входами первого и второго перемножителей, первый и второй генераторы, отличающийся тем, что в него введены формирователь возбуждения и блок управления, формирователь возбуждения и опорный формирователь выполнены с изменяемым направлением следования фаз, управляющие входы формирователя возбуждения и опорного формирователя подключены к выходу блока управления, второй генератор выполнен в виде управляемого напряжением генератора, вход которого соединен с выходом сумматора, первый и второй выходы формирователя возбуждения соединены с первым и вторым входами датчика, входы формирователя возбуждения и опорного формирователя соединены с выходами соответственно либо первого и второго генераторов, либо второго и первого генераторов.