СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01B7/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений.

Известен способ измерения перемещений с использованием двух дифференциальных датчиков с линейной характеристикой преобразования, заключающийся в установке обоих преобразователей на контролируемом объекте со смещением одного относительно другого на величину Δl, соответствующую расстоянию между точками перехода через ноль их характеристик, одновременном измерении выходных сигналов обоих преобразователей соответствующих одному и тому же перемещению, величину которого определяют с учетом Δl (авт.св. N 1402799, кл. G 01 B 7/00, 1988, БИ N 22).

К недостаткам данного способа следует отнести необходимость проведения измерений при минимум двух значениях измеряемого перемещения за время, значительно меньшее постоянной дрейфа чувствительности характеристик преобразования, следовательно, низкая помехозащищенность и точность измерений при быстром изменении дестабилизирующих факторов, а также наличии двух преобразователей перемещения (аналог).

Известен способ вихретокового контроля осевых перемещений валов, заключающийся в том, что на контролируемый вал воздействуют переменным полем прямоугольной катушки (обмотки возбуждения), выделяют сигналы взаимодействия этого поля с указанным валом двумя пространственно разнесенными парами измерительных катушек (обмоток), суммируют эти сигналы, по результату их суммирования определяют осевое перемещение вала, результат суммирования корректируют дополнительным сигналом, пропорциональным разности двух сигналов, снимаемых с двух пар измерительных катушек (авт.св. N 1753251, G 01 B 7/00, 1992, БИ N 29).

Недостатком указанного способа является наличие по существу двух пространственно разнесенных на величину дельта дифференциальных датчиков с одной возбуждающей обмоткой, причем способ может быть реализован только с датчиками, имеющими идентичные характеристики преобразования. Сложность достижения идентичности при наличии дестабилизирующих факторов хорошо известна (аналог).

Наиболее близким техническим решением, является способ и устройство измерения перемещений (Ж.Аш Датчики измерительных систем. М. Мир, 1992, кн. 1, с. 368 370).

Известный способ заключается в воздействии на сердечник, связанный с контролируемым объектом, переменным электромагнитным полем стабильной частоты и амплитуды, обмотки возбуждения трансформаторного датчика и выделении сигнала взаимодействия этого поля с сердечником дифференциальной измерительной обмотки, по величине которого судят о перемещении (прототип).

Известное устройство для измерения перемещений, выбранное в качестве прототипа, содержит трансформаторный датчик соленоидального типа, состоящий из каркаса, охватывающего подвижный сердечник, возбуждающей обмотки, равномерно распределенной по длине каркаса, двух измерительных полуобмоток, выполненных с линейно нарастающим и линейно убывающим числом витков по длине каркаса и включенных последовательно-встречно, а также содержит генератор переменного напряжения, шину нулевого потенциала, синхронный детектор, усилитель.

Недостатком этого способа и устройства является невозможность коррекции дрейфа крутизны преобразования перемещений без дополнительных устройств, работа которых основана на других физических принципах, например датчика температуры.

Целью изобретения является повышение точности за счет снижения погрешности от воздействия дестабилизирующих факторов и осуществления коррекции дрейфа крутизны преобразования перемещений.

Это достигается тем, что запитывают синусоидальным током одной частоты обмотку возбуждения трансформаторного датчика перемещений с линейной функцией преобразования и подвижным, неоднородным вдоль оси перемещений сердечником, связанным с объектом контроля, измеряют на дифференциальной измерительной обмотке величину напряжения, синфазную с питающим сигналом, по которой судят о величине перемещения, согласно изобретению дополнительно измеряют составляющую напряжения обмотки возбуждения, синфазную питающему току, изменяют частоту питающего тока и повторяют указанные измерения, формируют сигнал, пропорциональный отношению измеренных на возбуждающей обмотке напряжений, и используют этот сигнал для коррекции амплитуды питающего тока одной частоты, а о перемещении X судят по значению выражения

где
U₁, U₂ измеренные напряжения на измерительной обмотке при разных частотах питающего тока;
ΔX эффективное смещение характеристики преобразования перемещений.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве для измерения перемещений, содержащем трансформаторный датчик соленоидального типа, состоящий из каркаса, охватывающего подвижный сердечник, возбуждающей обмотки, равномерно распределенной по длине каркаса, двух измерительных полуобмоток, выполненных с линейно нарастающим и линейно убывающим числом витков по длине каркаса и включенных последовательно-встречно, а также содержащем генератор переменного напряжения, шину нулевого потенциала, синхронный детектор, сигнальный вход которого соединен с одним выводом измерительной обмотки датчика, другой вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, а опорный вход подключен к генератору переменного напряжения, согласно изобретению сердечник выполнен с разрезом вдоль оси до середины из проводящего немагнитного материала, а в устройство дополнительно введены второй генератор переменного напряжения другой частоты, два преобразователя напряжения в ток, один из которых с регулируемым коэффициентом преобразования, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, сумматор, три синхронных детектора, два дифференциальных усилителя, выход второго генератора соединен с входом первого преобразователя напряжения в ток с регулируемым коэффициентом преобразования, выход которого соединен с входом сумматора, другой вход которого соединен с выходом второго преобразователя напряжения в ток, вход которого соединен с первым генератором, выход сумматора подключен к сигнальным входам второго и третьего синхронных детекторов и обмотке возбуждения, другой вывод которой соединен с шиной нулевого потенциала, опорный вход второго синхронного детектора подключен к выходу первого генератора, а опорный вход третьего синхронного детектора подключен к выходу второго генератора, выходы второго и третьего синхронных детекторов соединены с соответствующими входами первого дифференциального усилителя, выход которого подключен к управляющему входу первого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, сигнальный вход четвертого синхронного детектора соединен с сигнальным входом первого синхронного детектора, а опорный вход четвертого синхронного детектора соединен с выходом второго генератора, выходы первого и четвертого синхронных детекторов соединены с соответствующими входами второго дифференциального усилителя, выход которого подключен к управляющему входу второго усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, вход которого соединен с выходом первого синхронного детектора, на выходе усилителя образуется сигнал, пропорциональный перемещению.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема трансформаторного датчика перемещений, реализующего способ; на фиг. 2 сердечник датчика перемещений; на фиг. 3 структурная схема устройства; на фиг. 4 характеристики дифференциальных полуобмоток и измерительной обмотки на частотах ω1, ω2, без коррекции (фиг. 4а) и с коррекцией (фиг. 4б); на фиг. 5 нормированные кривые зависимости выходного сигнала секции ξ измерительной полуобмотки от перемещения сердечника для значений частоты w1 (кривая 1) ω2 (кривая 2), полученные экспериментально для сердечника длиной 13 мм и диаметром 8 мм с разрезом по оси до середины шириной 0,5 мм при длине секции ξ 4 мм и диаметре 10 мм на частотах 10 и 50 кГц; на фиг. 6 те же кривые, что и на фиг. 3, но полученные со сплошным (однородным) сердечником.

Устройство содержит трансформаторный датчик соленоидного типа, включающий подвижный сердечник 1, выполненный с разрезом вдоль оси до середины длины из проводящего немагнитного материала, возбуждающую обмотку 2, измерительные полуобмотки 3 и 4, выполненные с линейно нарастающим и линейно убывающим числом витков по длине каркаса и включенные последовательно-встречно, а также генераторы переменного напряжения 5, 6, шину нулевого потенциала 7, синхронные детекторы 8 11 (см. [1]), преобразователи напряжения в ток 12 и 13, один из которых (преобразователь 13) с регулируемым коэффициентом преобразования, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 14, сумматор 15, дифференциальные усилители 16, 17. Выход генератора 6 соединен с входом преобразователя напряжения в ток 13 с регулируемым коэффициентом преобразования, выход которого соединен с входом сумматора 15, другой вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в ток 12, вход которого соединен с генератором 5, выход сумматора 15 подключен к сигнальным входам синхронных детекторов 8, 9 и обмотке возбуждения 2, другой вывод которой соединен с шиной нулевого потенциала 7, опорный вход синхронного детектора 8 подключен к выходу генератора 5, а опорный вход синхронного детектора 9 подключен к выходу генератора 6, выходы синхронных детекторов 8 и 9 соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя 16, выход которого подключен к управляющему входу преобразователя напряжения в ток 13 с регулируемым коэффициентом преобразования. Сигнальные входы синхронных детекторов 10, 11 соединены с одним выводом измерительной обмотки датчика, другой вывод которой соединен с шиной нулевого потенциала 7, опорный вход детектора 10 подключен к генератору 5, а опорный вход детектора 11 к генератору 6. Выходы синхронных детекторов 10, 11 соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя 17, выход которого подключен к управляющему входу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 14, вход которого соединен с выходом синхронного детектора 10, на выходе усилителя 14 образуется сигнал, пропорциональный перемещению.

Способ реализуется с помощью предлагаемого устройства следующим образом.

Неоднородный вдоль оси перемещений сердечник 1 (фиг. 1 и 2) трансформаторного датчика перемещений вводят во взаимодействие с объектом контроля.

На возбуждающую обмотку 2 (фиг. 1) с сумматора токов 15 (фиг. 3) подается сумма синусоидальных токов I1(омега₁ и I2(омега₂), формируемых из сигналов переменного напряжения генераторов 5 и 6 стабильной частоты w1 w2 и амплитуды посредством преобразователей напряжения в ток 12 и 13. Таким образом осуществляется питание датчика током. Напряжение с обмотки возбуждения 2 поступает на синхронные детекторы 8, 9, на опорные входы которых подается напряжение с выходов генераторов 5, 6 соответственно. Синхронные детекторы 8, 9 выделяют сигналы, пропорциональные составляющей напряжения, синфазной питающему току первой w1 и второй w2 частот соответственно U1_ов и U2_ов. Напряжения U1_ов и U2_ов сравниваются на дифференциальном усилителе 16. Разностный сигнал с выхода усилителя 16 воздействует на преобразователь напряжения в ток с регулируемым коэффициентом преобразования 13, сводя разность между U1_ов и U2_ов к нулю. Тем самым уравнивается крутизна характеристики датчика на обеих частотах (величины U1_ов и U2_ов не зависят от перемещения сердечника).

Напряжение со встречно включенных полуобмоток 3, 4 поступает на входы синхронных детекторов 10, 11, на опорные входы которых также подают напряжения с генераторов 5, 6. Синхронные детекторы 10, 11 выделяют действительную составляющую напряжения со встречно включенных полуобмоток 3, 4, на частотах w1, w2 U1, U2. Зависимости действительных величин напряжений на полуобмотках 3, 4, разность которых выделяется синхронными детекторами 10, 11, в случае отсутствия коррекции питающего тока одной частоты с помощью дифференциального усилителя 16, воздействующего на преобразователь напряжения в ток 13, показаны на фиг. 4а (кривые 1, 2 для полуобмоток 3, 4 (фиг. 1) на частоте w1 кривые 3, 4 на частоте w₂), а при осуществлении указанной коррекции на фиг. 4б соответственно. При этом точки перехода через ноль при перемещении сердечника величин U1 и U2 (выходной характеристики датчика) не совпадают, а расположены друг от друга на расстоянии ΔX вдоль оси перемещений (фиг. 4).

Далее, напряжения U1 и U2 поступают на дифференциальный усилитель 17, который производит их сравнение и окончательную коррекцию крутизны выходной характеристики датчика, воздействуя на усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 14, на вход которого подается напряжение с выхода детектора 10, а на выходе образуется сигнал, пропорциональный перемещению в соответствии с выражением

При этом, как показывает экспериментальная проверка, зависимость синфазного напряжения секции (витка согласно [2]) измерительной полуобмотки длиной ξ (фиг. 1), где величина x определяется из условия постоянства числа витков на единицу длины полуобмотки, от положения сердечника имеет вид кривой 1 (фиг. 5). Соответствующая этой зависимости интегральная характеристика полуобмотки, полученная суммированием со сдвигом вдоль оси перемещения сигналов секций полуобмоток при линейном изменении числа витков на единицу длины в каждой последующей секции, приведена на фиг. 4а кривая 1 (кривая 2 соответствует выходной характеристике полуобмотки с обратной зависимостью изменения числа витков на единицу длины).

Синфазная составляющая напряжения возбуждающей обмотки 2 инвариантна к перемещению сердечника и определяется, кроме собственных размеров, импедансом ( ω=2πf f частота питающего тока, σ удельная проводимость материала сердечника, m магнитная постоянная), вносимым в обмотку сердечником датчика.

В силу подобия годографов [2] ( зависимостей действительной и мнимой составляющих вносимого в обмотку сигнала от k и геометрии обмотки) величину, равную отношению максимума импеданса, вносимого сердечником в секцию x измерительной полуобмотки Re[Zxио.max

Re[Zξио.max

где Re[Z_ио.min] R_ио и Re[Z_ио.min R_ио- минимальное значение импеданса, равное активному сопротивлению секции и обмотки на постоянном токе.

Далее, изменив частоту возбуждающего тока измеряют величины U2 U2_ов, которые связаны с U1 и U1_ов следующим образом.

При перестройке частоты происходит пространственное перераспределение вихревых токов в теле сердечника и изменение вектор потенциала после реакции, а значит деформация зависимости от перемещения выходного сигнала секции ξ полуобмотки (на фиг. 5 кривая 2, пронормирована). Соответственно меняется и интегральная характеристика полуобмотки (фиг. 4 кривая 3, кривая 4 соответствует выходной характеристике полуобмотки с обратной зависимостью изменения числа витков на единицу длины), оставаясь при этом линейной функцией перемещения. Тот же результат может быть получен смещением характеристики измерительной обмотки вдоль оси перемещений на DX и изменением крутизны преобразования.

Определив отношение U1_ов/U2_ов выравнивают крутизну характеристики измерительной обмотки на частотах ω1 и ω2 путем измерения амплитуды питающего тока на одной из частот в U1_ов/U2_ов раз (для секции ξ результат показан на фиг. 5 кривая 2). Тогда с учетом (1) и (2) можно записать

что при выполнении R_ио << Re [Z_ио.max(ω1, ω2)] означает равенство крутизны преобразования на выбранных частотах ω1 и ω2.
Наконец формируют выходное напряжение величиной равной отношению

где ΔX смещение характеристики преобразования измерительной обмотки вдоль оси перемещений (точки перехода через ноль) при изменении частоты возбуждения.

Из выражения (3) следует прямо пропорциональная зависимость погрешности измерения перемещений от погрешности ΔX (как и у аналогов). Однако зависимость ΔX от частоты омега дает возможность, меняя ΔX в процессе измерения, стабилизировать ΔX, используя какую-либо инварианту. Так погрешность ΔX, исключая вносимые первичным преобразователем, обусловлена изменением электрофизических параметров материала сердечника и соотношением геометрических размеров элементов конструкции датчика. Если доминирующей является погрешность от изменения электрической проводимости, то минимизировать ее можно, меняя отношение частот возбуждения, например, по известному способу (авт.св. N 871055, кл. G 01 N 27/90, 1981) или увеличивая абсолютное значение ΔX при этом снижается относительная погрешность измерения без увеличения габаритов датчика.

Приведенные выше выводы справедливы в случае сердечника, неоднородного вдоль оси перемещений (по длине). В противном случае однородный сердечник - кривые зависимости выходного сигнала секции ξ от перемещения и частоты возбуждения приобретают вид фиг. 6, а интегральные характеристики меняю лишь крутизну, что для проведения коррекции недостаточно.

Предлагаемые способ и устройство имеют следующие преимущества: повышается точность контроля линейных перемещений за счет отстройки от мультипликативной составляющей погрешности измерений; в процессе измерений можно менять расстояние между точками перехода через ноль характеристики датчика на разных частотах возбуждения и, следовательно, стабилизировать это расстояние при воздействии мешающих факторов.

Иточники информации2 1. Ж Аш Датчики измерительных систем. М. Мир, 1992, кн. 1, с. 368 370.

2. Соболев В.С. Шкарлет Ю.М. Накладныеи экранные датчики. Новосибирск: Наука,1967, с. 57, 58, 62.

Сущность изобретения: обмотку возбуждения 2 трансформаторного датчика с линейной функцией преобразования и подвижным, неоднородным вдоль оси перемещений сердечником 1 запитывают синусоидальным током двух частот посредством генераторов 5, 6 переменного напряжения, преобразователей напряжения в ток 12, 13 и сумматора 15. Напряжение с обмотки возбуждения, синфазное питающему току, на первой и второй частотах выделяют синхронными детекторами 8, 9, а с дифференциально включенных измерительных полуобмоток 3, 4 - синхронными детекторами 10, 11. Первые два напряжения используют для уравнивания крутизны характеристик преобразования датчика путем сравнения этих напряжений на дифференциальном усилителе 16 и воздействием сигнала рассогласования на преобразователь напряжения в ток с регулируемым коэффициентом преобразования 13. Другие два напряжения используют для коррекции крутизны преобразования датчика путем сравнения на дифференциальном усилителе 17 и воздействии результата на усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 14, на выходе которого образуется сигнал, равный отношению измеренного напряжения на измерительной обмотке на первой частоте к разности измеренных напряжений на измерительной обмотке на первой и второй частотах. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения перемещений, заключающийся в том, что запитывают синусоидальным сигналом одной частоты обмотку возбуждения трансформаторного датчика с линейной функцией преобразования и подвижным, неоднородным вдоль оси перемещений сердечником, измеряют на дифференциальной измерительной обмотке величину напряжения, синфазную с питающим сигналом, по которой судят о величине перемещения, отличающийся тем, что дополнительно измеряют составляющую напряжения обмотки возбуждения, синфазную питающему току, изменяют частоту питающего тока и повторяют указанные измерения, формируют сигнал, пропорциональный отношению измеренных на возбуждающей обмотке напряжений и используют этот сигнал для коррекции амплитуды питающего тока одной частоты, а перемещение Х определяют по значению выражения

где U1, U2 измеренные напряжения на измерительной обмотке при разных частотах питающего тока;
ΔX - эффективное смещение характеристики преобразования вдоль оси перемещений. 2. Устройство для измерения перемещений, содержащее трансформаторный датчик соленоидального типа, состоящий из каркаса, охватывающего подвижный сердечник, возбуждающей обмотки, равномерно распределенной по длине каркаса, измерительной обмотки, выполненной из двух полуобмоток с линейно нарастающим и линейно убывающим числом витков по длине каркаса, включенных последовательно встречно, а также содержащее генератор переменного напряжения, шину нулевого потенциала, синхронный детектор, сигнальный вход которого соединен с одним выводом измерительной обмотки датчика, другой вывод которой соединен с шиной нулевого потенциала, а опорный вход подключен к генератору переменного напряжения, отличающееся тем, что сердечник выполнен с разрезом вдоль оси до середины длины из проводящего немагнитного материала, а в устройство дополнительно введены второй генератор переменного напряжения другой частоты, два преобразователя напряжения в ток, один из которых с регулируемым коэффициентом преобразования, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, сумматор, три синхронных детектора, два дифференциальных усилителя, выход второго генератора соединен с входом первого преобразователя напряжения в ток с регулируемым коэффициентом преобразования, выход которого соединен с входом сумматора, другой вход которого соединен с выходом второго преобразователя напряжения в ток, вход которого соединен с первым генератором, выход сумматора подключен к сигнальным входам второго и третьего синхронных детекторов и обмотке возбуждения, другой вывод которой соединен с шиной нулевого потенциала, опорный вход второго синхронного детектора подключен к выходу первого генератора, а опорный вход третьего синхронного детектора подключен к выходу второго генератора, выходы второго и третьего синхронных детекторов соединены с соответствующими входами первого дифференциального усилителя, выход которого подключен к управляющему входу первого преобразователя напряжения в ток с регулируемым коэффициентом преобразования, сигнальный вход четвертого синхронного детектора соединен с сигнальным входом первого синхронного детектора, а опорный вход четвертого синхронного детектора соединен с выходом второго генератора, выходы первого и четвертого синхронных детекторов соединены с соответствующими входами второго дифференциального усилителя, выход которого подключен к управляющему входу второго усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, вход которого соединен с выходом первого синхронного детектора, на выходе усилителя образуется сигнал, пропорциональный перемещению.