МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В КОД Российский патент 1997 года по МПК G01D5/12 

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано для измерения и контроля перемещений.

Известен магнитострикционный преобразователь перемещений, содержащий звукопровод с демпфером, неподвижную катушку возбуждения, соединенный с ней формирователь импульсов записи, две подвижные приемные катушки с постоянным магнитом, связанный с ней усилитель-формирователь импульсов считывания [1]
Однако наличие подвижных приемных катушек затрудняет реализацию преобразователя для больших диапазонов перемещений.

Известно также устройство для преобразования линейного перемещения в код [2] содержащее звукопровод, демпферы, постоянные магниты, катушки возбуждения и считывания, преобразователь время-код и регистр памяти, управляющий количеством суперпозиционно включенных катушек возбуждения в зависимости от диапазона преобразования. Однако температурная стабильность этого устройства невысокая.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для преобразования перемещения в код/3, содержащее магнитострикционную линию, демпферы, постоянный магнит, жестко закрепленный с объектом контроля, датчики на постоянных магнитах, усилители-формирователи, формирователь импульсов тока, RS- триггеры, генераторы счетных импульсов, счетчик, регистры памяти, буферный формирователь, дешифратор адреса, формирователь запуска, формирователь сигнала готовности и шину обмена, а информацией об измеряемом перемещении служит отношение цифрового кода Nа к сумме цифровых кодов Nа и Nв, умноженный на масштабный коэффициент.

Однако реализация такого алгоритма преобразования приводит к появлению погрешности нелинейности из-за наличия аддиптивной погрешности в интервале времени, соответствующем коду Na из-за переходных процессов в датчиках, задержек в соединительных кабелях, усилителях-формирователях, электронных схемах дальнейшего преобразования. К тому же при реализации данного устройства необходимо исключить ложные срабатывания RS- триггера от электромагнитной наводки, создаваемой импульсом тока возбуждения, что ведет к аппаратному усложнению устройства.

Вдобавок из-за наличия затухания в магнитострикционной линии диапазон измерения ограничен, т.к. при больших диапазонах отношение шум/сигнал не позволяет достичь высокой точности измерения.

Целью изобретения является повышение точности, диапазона преобразования и упрощения конструкции магнитострикционных преобразователей.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее магнитострикционную линию с демпферами на концах, электроакустический преобразователь, элемент возбуждения ультразвукового импульса, содержащий постоянный магнит, жестко связанный с объектом контроля, усилитель-формирователь, формирователь импульсов тока, генератор счетных импульсов, счетчик, регистры памяти, буферный формирователь, дешифратор адреса, формирователь запуска, формирователь сигнала готовности и шину обмена дополнительно введены счетчик режима, вход прямого счета которого соединен с выходом усилителя-формирователя, первый выход с входом установки в нулевое состояние счетчика, а второй и третий выходы с входами разрешения считывания регистров памяти, неподвижный элемент возбуждения опорного ультразвукового импульса, состоящий из двух противоположных намагниченных магнитов, находящихся друг от друга на расстоянии, пробегаемом ультразвуковой волной за время, равное длительности импульса записи, и находящийся на расстоянии Xb от электроакустического преобразователя, а в элемент возбуждения ультразвукового импульса введен дополнительный, противоположно намагниченный существующему постоянный магнит, находящийся от него на расстоянии, пробегаемом ультразвуковой волной за время, равное длительности импульса записи.

На фиг. 1 представлена блок-схема магнитострикционного преобразователя перемещения в код.

Преобразователь содержит магнитострикционную линию 1 с демпферами 2 на концах, электроакустический преобразователь 3, элемент возбуждения опорного ультразвукового импульса, состоящий из неподвижных постоянных магнитов 4 и 5, элемент возбуждения ультразвукового импульса, состоящий из постоянных магнитов 6 и 7, жестко связанных с элементом контроля, счетчик режима 9, входом прямого счета соединенный с выходом усилителя-формирователя 8, формирователь импульса тока 12, выходом соединенный с магнитострикционной линией 1, счетчик 10, входом прямого счета соединенный с выходом генератора счетных импульсов 11, регистр памяти 13, информационным каналом соединенный с выходом счетчика 10, входом "запись" с вторым выходом счетчика режима 9, регистр памяти 14, информационным каналом соединенный с выходом счетчика 10, а входом "запись" - с третьим выходом счетчика режима 9, формирователь запуска 15, выходом соединенный с входом формирователя импульсов тока 12, а также с входами установки в нулевые состояния счетчика режима 9, буферный формирователь 16, информационным входом соединенный с информационными выходами регистров памяти 13 и 14, дешифратор адреса 17, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами разрешения считывания регистров памяти 13 и 14, третий выход с входом формирователя запуска 15, а четвертый выход с первым входом формирователя сигнала готовности 18, второй вход который соединен с третьим выходом счетчика режима 9 и шину обмена 19 (с микроЭВМ), соединенную с выходом буферного формирователя 16, входом дешифратора адреса 17 и выходом формирователя сигнала готовности 18.

Устройство работает следующим образом.

Запуск устройства осуществляется с третьего выхода дешифратора 17 по команде микроЭВМ. Формирователь 15 запуска вырабатывает тактовый импульс, который запускает формирователь 12 импульсов тока и устанавливает счетчик режима 9 в нулевое состояние. Формирователь 12 импульсов создает импульс тока в магнитострикционной линии 1, в результате чего вокруг нее образуется круговое магнитное поле, которое наводит в электроакустическом преобразователе 3 электрический импульс. После усиления и формирования усилителем-формирователем 8 сигнал поступает на счетный вход счетчика режима 9. В результате этого на выходе "1" счетчика режима возникает сигнал высокого уровня, который обнуляет счетчик 10. В результате взаимодействия кругового магнитного поля с продольными магнитными полями постоянных противоположно намагниченных магнитов элемента возбуждения опорного ультразвукового импульса возникают две ультразвуковые волны, которые распространяются по звукопроводу.

Механизм возникновения ультразвуковой волны от взаимодействия кругового магнитного поля с двумя противоположно намагниченными постоянными магнитами элемента возбуждения ультразвукового импульса (элемента возбуждения опорного ультразвукового импульса) показан на временных диаграммах фиг.2.

На временной диаграмме "а" изображена форма ультразвуковой волны, полученной при взаимодействии кругового магнитного поля и постоянного магнита 4(6).

На временной диаграмме "б" изображена форма ультразвуковой волны, полученной при взаимодействии кругового магнитного поля и постоянного магнита 5(7).

На временной диаграмме "с" изображена форма ультразвуковой волны, полученной при взаимодействии кругового поля и элемента возбуждения ультразвукового импульса (элемента возбуждения опорного ультразвукового импульса).

Первая ультразвуковая волна от элемента возбуждения ультразвукового импульса, достигнув электроакустического преобразователя 3, преобразовывается в электрический импульс, который усиливается и формируется усилителем-формирователем 8 и поступает на счетный вход счетчика режима 9. С приходом сигнала на счетный вход счетчик режима сигнал с выхода 1 счетчика режима исчезает, а сигнал с выхода 2 поступает на вход "запись" регистра памяти 13, в результате чего в регистре памяти 13 записывается цифровой эквивалент времени распространения ультразвуковой волны от элемента возбуждения ультразвукового импульса до электроакустического преобразователя 3.

Вторая ультразвуковая волна от элемента возбуждения опорного ультразвукового импульса, достигнув электроакустического преобразователя 3, также преобразуется в электрический импульс, который усиливается и формируется усилителем-формирователем 8 и поступает на счетный вход счетчика режима 9. С приходом сигнала на счетный вход счетчика режима 9 сигнал на выходе 2 исчезает, а сигнал с выхода 3 поступает на вход "запись" регистра памяти 14, в результате чего в регистр памяти 14 записывается цифровой эквивалент времени распространения ультразвуковой волны от элемента возбуждения опорного ультразвукового импульса до электроакустического преобразователя 3. Одновременно с этим сигнал с третьего выхода счетчика режима 9 поступает на второй вход формирователя сигнала готовности 18, на первом входе которого поступает сигнал с четвертого выхода дешифратора адреса 17. Формирователь сигнала готовности 18 выдает на шину обмена 19 сигнал готовности. Это означает, что в регистрах 13 и 14 памяти записаны цифровые коды N_a и N_b.

При формировании микроЭВМ адреса на шине 19 сигналом на первом выходе дешифратора 17 разрешается считывание данных с регистра 13, а сигналом на втором выходе с регистра 14. Микро-ЭВМ осуществляет обработку цифровых кодов в соответствии с алгоритмом преобразования, имеющим вид:

где X положение объекта контроля;
K- масштабный коэффициент.

Реализация такого алгоритма преобразования исключает появление погрешности нелинейности из-за переходных процессов в электроакустический преобразователь, задержки в соединительных кабелях, поскольку импульсы "старт" и "стоп" формируются при прохождении через одни и те же узлы преобразователя. Применение данного алгоритма обеспечивает высокую повторяемость статической характеристики устройства при изменении температуры окружающей среды, при естественном старении и смене звукопровода.

Применение двух противоположно намагниченных постоянных магнитов в конструкциях элемента возбуждения ультразвукового сигнала и замене возбуждения опорного ультразвукового сигнала позволяют на 40-50% увеличить амплитуду сигнала и увеличить отношение сигнал/шум, что позволяет значительно повысить точность магнитострикционных преобразователей перемещений и их диапазон преобразования.

Использование: изобретение относится к автоматике и измерительной технике и обеспечивает повышение точности диапазона преобразования и упрощения конструкции магнитострикционных преобразователей перемещения. Сущность изобретения: с этой целью формируют две ультразвуковых волны от элемента возбуждения ультразвукового импульса и элемента возбуждения опорного ультразвукового импульса, состоящих из двух противоположно намагниченных магнитов, находящихся на расстоянии, пробегаемой ультразвуковой волной за время, равное длительности импульса записи, запуск счетчика осуществляют от элеткромагнитной наводки, создаваемой импульсом тока возбуждения, а предложенная электронная измерительная цепь осуществляет формирование временных эквивалентов и связь устройства с микроЭВМ. Положение объекта контроля определяют согласно алгоритма дифференциально-логометрического преобразования. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Магнитострикционный преобразователь перемещения в код, содержащий магнитострикционную линию с демпферами на концах, электроакустический преобразователь, элемент возбуждения ультразвукового импульса, жестко связанный с объектом контроля, усилитель-формирователь, формирователь импульсов тока, генератор счетных импульсов, счетчик, регистры памяти, буферный формирователь, дешифратор адреса, формирователь запуска, формирователь сигнала готовности и шину обмена, причем концы магнитострикционной линии через демпферы соединены соответственно с общей шиной и выходом формирователя импульса тока, вход которого соединен с выходом формирователя запуска, вход прямого счета счетчика соединен с выходом генератора счетных импульсов, а выход с информационными входами регистров памяти, выходы которых соединены с входом буферного формирователя, входы разрешения считывания с первым и вторым выходом дешифратора адреса, третий выход которого соединен с входом формирователя запуска, а четвертый выход с первым входом формирователя сигнала готовности, выход которого соединен с шиной обмена, соединенной также с входом дешифратора адреса и выходом буферного шинного формирователя, отличающийся тем, что в него введены счетчик режима, вход прямого счета которого соединен с выходом усилителя-формирователя, первый выход с входом установки в нулевое состояние счетчика, а второй и третий с входами разрешения считывания регистров памяти, неподвижный элемент возбуждения опорного ультразвукового импульса, а запуск счетчика осуществляется от электромагнитной наводки, создаваемой импульсом тока возбуждения, при этом положение объекта определяется как частное от деления разности кодов опорного и измерительного интервала на код опорного интервала, умноженное на масштабный коэффициент. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что элемент возбуждения ультразвукового импульса и элемент возбуждения опорного ультразвукового импульса выполнены в виде двух противоположно намагниченных постоянных магнитов, находящихся на расстоянии, пробегаемом ультразвуковой волной за время, равное длительности импульса записи.