УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК G01B7/00 G01D5/20 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в машиностроении (при испытании конструкций, управлении технологическими процессами и т.д.).

Известно устройство для индикации линейных перемещений по а.с. N 237643 (СССР), кл. G 08 С 9/04, содержащее индикаторную и две дополнительные (бифилярные) обмотки, равномерно распределенные на одном каркасе, включенные в плечи измерительного и компенсирующего мостов, выходные напряжения которых суммируются, а также ферромагнитный сердечник, перемещающийся внутри обмоток.

Недостатками этого устройства являются малый рабочий диапазон перемещений, обусловленный нелинейностью статической характеристики при сравнительно сложной конструкции.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения линейных перемещений, описанное в книге Агейкин Д.И. и др. Датчики контроля и регулирования. -М. : Машиностроение, 1965, с. 126, 67 - 73, содержащее магнитопровод из двух коаксиальных цилиндрических сердечников, измерительную обмотку, равномерно распределенную вдоль центрального сердечника, и подвижный элемент в виде металлической немагнитной трубки, охватывающей центральный сердечник магнитопровода и размещенной внутри измерительной обмотки, включенной совместно с дополнительной обмоткой (дросселем) в мостовую схему, питаемую переменным напряжением звуковой частоты, выходы которой соединены с входами тензометрического усилителя.

Недостатком данного устройства являются погрешности от влияния внешних факторов (температуры и др.), обусловленные тем, что измерительная обмотка и остальная часть схемы находятся в разных физических условиях, в результате чего не происходит компенсация дополнительных погрешностей. Кроме того, описанная конструкция первичного преобразователя перемещений ограничивает его функциональные возможности, адаптацию к условиям эксплуатации (например, стыковки с объектом), препятствует уменьшению поперечных размеров преобразователя.

Предлагаемое изобретение позволяет в значительной степени устранить указанные недостатки. С этой целью устройство содержит четыре операционных усилителя и первичный преобразователь перемещений, состоящий из подвижного элемента, двух коаксиальных цилиндрических сердечников, измерительной обмотки и дополнительной обмотки с двумя секциями. На фиг.1 показана блок-схема устройства, на фиг.2 - 5- варианты конструкции первичного преобразователя.

Выход операционного усилителя 1 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 4, работающим в режиме интегратора, и с суммирующей точкой операционного усилителя 3, к которой подключен также выход операционного усилителя 2 и второй вывод секции 5 дополнительной обмотки. Первый вывод секции 5 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 2 и вторым выводом первой секции 6 дополнительной обмотки, первый вывод которой подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 4 и одному из выводов измерительной обмотки 7, другой вывод которой соединен с выходом операционного усилителя 4. Переменное напряжение подается с противоположными знаками (в противофазе) на неинвертирующие входы операционных усилителей 1 и 2, выходом устройства является выход операционного усилителя 3, а выход операционного усилителя 4 используется для коррекции результатов измерения с учетом изменения температурных условий первичного преобразователя.

Первичный преобразователь линейных перемещений состоит из подвижного элемента 8, двух коаксиальных цилиндрических сердечников - центрального 9 и внешнего 10 -, измерительной обмотки 7, равномерно распределенной вдоль центрального сердечника 9, и дополнительной обмотки из двух секций 5 и 6, равномерно распределенных по периметру одного из сердечников так, что их витки пронизывают его вдоль оси и охватывают в продольном направлении.

Первичный преобразователь может иметь следующие конструктивные варианты:
1) фиг.2 подвижный элемент выполнен в виде проводящей трубки, охватывающей внешний цилиндрический сердечник, изготовленный из немагнитного материала с электропроводностью, значительно меньшей электропроводности подвижного элемента, а дополнительная обмотка бескаркасно расположена на центральном сердечнике из магнитного материала с малой электропроводностью:
2) фиг. 3; подвижный элемент выполнен в виде проводящей трубки, размещенной между центральным и внешним сердечником; в остальном конструкция соответствует варианту 1);
3) фиг. 4; оба сердечника изготовлены из магнитного материала с малой электропроводностью, дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике, а центральный сердечник охватывает подвижный элемент в виде проводящей трубки или прутка;
4) фиг. 5; дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике из магнитного материала с малой электропроводностью, а подвижный элемент в виде магнитной трубки помещен между внешним и центральным сердечниками, последний из которых изготовлен из немагнитного материала с малой электропроводностью.

5) фиг. 4; дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике из магнитного материала с малой электропроводностью, а центральный сердечник из немагнитного материала с малой электропроводностью охватывает подвижный элемент в виде магнитной трубки или прутка.

В конструкциях вариантов 2) - 4) внешний сердечник выполняет роль первичного преобразователя, а в варианте 1) он может служить направляющей для подвижного элемента.

Описанные варианты конструктивного выполнения первичного преобразователя значительно расширяют функциональные возможности устройства, позволяя выбирать подвижный элемент в соответствии с условиями эксплуатации и характером объекта измерения, а также при необходимости сократить до минимума поперечные размеры преобразователя перемещений.

Устройство работает следующим образом. При подаче на неинвертирующие входы операционных усилителей 1 и 2 переменного напряжения со стабилизированной амплитудой U на выходах операционных усилителей 1 и 2 возникают напряжения соответственно


где Z_u - комплексное сопротивление измерительной обмотки, Z₁ и Z₂ - сопротивления секций дополнительной обмотки.

Поскольку сигналы на входах операционных усилителей 1 и 2 находятся в противофазе, то напряжение U_вых на выходе операционного усилителя 3 - выходе устройства
U_вых = k₁U₁ - k₂U₂, (3)
где k₁ и k₂ - коэффициенты усиления по входу операционного усилителя 3, соединенному с операционными усилителями 1 и 2 соответственно. Полагая k₁ = 1, получаем с учетом (1) и (2)

Комплексное сопротивление Z_u измерительной обмотки можно представить как Z_u = Z₀ + ΔZ, где Z₀ - начальное сопротивление обмотки в одном из крайних положений подвижного элемента (например, когда он полностью выведен из первичного преобразователя), ΔZ - сопротивление измерительной обмотки, обусловленное изменением положения подвижного элемента. Число витков и сечение провода дополнительной обмотки подбирается так, чтобы ее секции обладали той же добротностью, что и измерительная обмотка в начальном состоянии, т.е.

где R₀, X₀ и R₂, X₂ - активное и реактивное сопротивления соответственно измерительной обмотки и второй секции дополнительной обмотки.

Выбрав k₂ = q, имеем из (5):
R₀ = k₂R₂, X₀ = k₂X₂, Z₀ = k₂Z₂. (6)
В силу (6) выходные напряжение

т. е. не зависит от начального сопротивления измерительной обмотки, что равносильно компенсации аддитивной составляющей погрешности измерения. Измерительная и дополнительная обмотки находятся в одинаковых физических условиях, изменение которых в равной степени сказывается на их сопротивлениях, поэтому соотношения (6) и (7) будут оставаться в силе и при изменении внешних условий (например, температуры).

Отношение в (7), обусловленное логометрической схемой включения измерительной обмотки и первой секции дополнительной обмотки, позволяет в значительной степени компенсировать также мультипликативную составляющую погрешности измерения.

Температурную погрешность можно практически полностью скомпенсировать, зная температуру измерительной обмотки, информацию о которой несет ее собственное активное сопротивление (сопротивление провода) в силу известного соотношения
R = R₀(1 + αt), (8)
где α - температурный коэффициент сопротивления материала провода и R₀ - его начальное активное сопротивление, определенное при одной и той же температуре (например, при 20^oC).

Для того, чтобы одновременно с измерением перемещений определять сопротивление измерительной обмотки R, питание устройства осуществляется однополярными импульсами. Постоянная составляющая U₀ напряжения на измерительной обмотке, пропорциональная значению R в данный момент, выделяется с помощью операционного усилителя-интегратора 4. Так как величины R₀ и α заранее известны, то по выходному сигналу операционного усилителя 2 легко определить температуру из (8). Эта информация используется затем для коррекции результатов измерения перемещений. Данную операцию можно автоматизировать, например, с помощью программируемого микропроцессора, в память которого заносится температурная характеристика первичного преобразователя.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в машиностроении при испытании конструкций, управлении технологическими процессами и т.д. Устройство содержит первичный преобразователь и три операционных усилителя. Первичный преобразователь состоит из подвижного элемента, двух коаксиальных сердечников, измерительной обмотки, расположенной на центральном сердечнике, и дополнительной обмотки. Дополнительная обмотка равномерно распределена по периметру одного из сердечников так, что ее витки охватывают его в продольном направлении, и выполнена двухсекционной. За счет соединения обмоток и операционных усилителей, которое эквивалентно включению измерительной обмотки одновременно по логометрической схеме с первой секцией дополнительной обмотки (компенсация мультипликативной составляющей погрешности измерений) и встречно с второй секцией дополнительной обмотки (компенсация аддитивной составляющей), повышается точность измерений. В устройство может быть введен четвертый операционный усилитель, выходной сигнал которого используется для компенсации температурной погрешности. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для измерения линейных перемещений, содержащее первичный преобразователь, состоящий из подвижного элемента, двух коаксиальных цилиндрических сердечников, измерительной обмотки, равномерно распределенной вдоль центрального сердечника, и дополнительной обмотки, отличающееся тем, что содержит три операционных усилителя, дополнительная обмотка равномерно распределена по периметру одного из сердечников так, что ее витки охватывают его в продольном направлении, и выполнена в виде двух секций, причем один вывод первой секции соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и выводом измерительной обмотки, второй вывод которой соединен с выходом первого операционного усилителя, а другой вывод первой секции соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и выводом второй секции, другой вывод которой соединен с выходом второго операционного усилителя, подключенным к суммирующей точке третьего операционного усилителя, соединенной также с выходом первого операционного усилителя; на неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей в противофазе переменное напряжение, а выходом устройства является выход третьего операционного усилителя. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подвижный элемент выполнен в виде проводящей трубки, охватывающей внешний сердечник из немагнитного материала с электропроводностью, значительно меньшей электропроводности подвижного элемента, а дополнительная обмотка расположена на центральном сердечнике из магнитного материала с малой электропроводностью. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подвижный элемент выполнен в виде проводящей трубки, размещенной между внешним сердечником из немагнитного материала с электропроводностью, значительно меньше электропроводности подвижного элемента, и центральным сердечником, охватывая последний, а дополнительная обмотка расположена на центральном сердечнике из магнитного материала с малой электропроводностью. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оба сердечника изготовлены из магнитного материала с малой электропроводностью, дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике, а центральный сердечник охватывает подвижный элемент в виде проводящей трубки или прутка. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике, изготовленном из магнитного материала с малой электропроводностью, а подвижный элемент в виде магнитной трубки помещен между внешним и центральным сердечниками, последний из которых изготовлен из немагнитного материала с малой электропроводностью. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике из немагнитного материала с малой электропроводностью, а центральный сердечник из немагнитного материала с малой электропроводностью охватывает подвижный элемент в виде магнитной трубки или прутка. 7. Устройство для измерения линейных перемещений, содержащее первичный преобразователь, состоящий из подвижного элемента, двух коаксиальных цилиндрических сердечников, измерительной обмотки, равномерно распределенной вдоль центрального сердечника, и дополнительной обмотки, отличающееся тем, что содержит четыре операционных усилителя, дополнительная обмотка равномерно распределена по периметру одного из сердечников так, что ее витки охватывают его в продольном направлении, и выполнена в виде двух секций, причем один вывод первой секции соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и выводом измерительной обмотки, второй вывод которой соединен с выходом первого операционного усилителя, а другой вывод первой секции соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и выводом второй секции, другой вывод которой соединен с выходом второго операционного усилителя, подключенным к суммирующей точке третьего операционного усилителя, соединенной также с выходом первого операционного усилителя и инвертирующим входом четвертого усилителя-интегратора; на неинвертирующие входы первого и второго операционных усилителей подаются в противофазе однополярные импульсы напряжений, выходом устройства является выход третьего операционного усилителя, а выходной сигнал четвертого операционного усилителя служит для компенсации температурной погрешности. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что подвижный элемент выполнен в виде проводящей трубки, охватывающей внешний сердечник из немагнитного материала с электропроводностью, значительно меньшей электропроводности подвижного элемента, а дополнительная обмотка расположена на центральном сердечнике из магнитного материала с малой электропроводностью. 9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что подвижный элемент выполнен в виде проводящей трубки, размещенной между внешним сердечником из немагнитного материала с электропроводностью, значительно меньшей электропроводности подвижного элемента, и центральным сердечником, охватывая последний, а дополнительная обмотка расположена на центральном сердечнике из магнитного материала с малой электропроводностью. 10. Устройство по п.17, отличающееся тем, что оба сердечника изготовлены из магнитного материала с малой электропроводностью, дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике, а центральный сердечник охватывает подвижный элемент в виде проводящей трубки или прутка. 11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике, изготовленном из магнитного материала с малой электропроводностью, а подвижный элемент в виде магнитной трубки помещен между внешним и центральным сердечниками, последний из которых изготовлен из немагнитного материала с малой электропроводностью. 12. Устройство по п.7, отличающееся тем, что дополнительная обмотка расположена на внешнем сердечнике из немагнитного материала с малой электропроводностью, а центральный сердечник из немагнитного материала с малой электропроводностью охватывает подвижный элемент в виде магнитной трубки или прутка.