СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДАТЧИКА Российский патент 2000 года по МПК G01D1/10 

Изобретение относится к областям электроники и измерительной техники и может быть использовано в различных устройствах или системах измерения неэлектрических величин электрическими способами с использованием датчиков с двумя выходами (Дифференциальных датчиков).

Известны способы обработки сигналов дифференциальных датчиков, основной принцип которых заключается в вычитании двух близких по значению друг к другу сигналов [1]. При этом полезные составляющие этих сигналов складываются, а составляющие, вызванные изменением внешних условий, помехами, вычитаются.

Такой метод обработки сигналов дифференциальных датчиков обладает достаточной точностью и во многих случаях удовлетворяет требованиям прикладных задач.

Однако в ряде случаев, когда с выходов датчика поступают низкие уровни сигналов (датчики, используемые во взрывоопасных условиях), либо эти сигналы имеют сдвиг фаз относительно опорного напряжения (напряжения питания датчика), последующая обработка разностного сигнала становится затруднительной.

Более близким по технической реализации и достигаемому эффекту является корреляционный метод обработки сигнала, когда входной (в том числе и разностный) сигнал умножается на известный опорный сигнал [2].

Однако этот способ обладает пониженной точностью, т.к. на него влияют температура, разность фаз сигнала и опорного напряжения, и пр.

Известен способ обработки сигналов с двумя опорными сигналами [3], заключающийся в том, что полезный сигнал (это может быть и разностный), помимо прочего, в качестве основной операции подвергают умножению на два опорных сигнала, сдвинутых по фазе на 90^o.

Этот способ по количеству признаков, общих с предложением и по назначению может быть признан прототипом. При этом из числа признаков известного устройства существенными (общими) с точки зрения предложения являются выделение разностного сигнала дифференциального датчика (как безусловно известные) и умножение его на опорные сигналы.

Однако в прототипе опорные сигналы должны быть сформированы определенным образом (иметь между собой сдвиг фаз 90^o), что приводит к появлению погрешности, если сдвиг фаз не равен 90^o. Кроме того, техническая реализация этого способа требует достаточно сложных устройств. И, если учесть, что питание датчиков, например индуктивных, выполняется обычно по предельно простой схеме, обеспечивающей необходимую точность самого датчика, то формирование опорных сигналов и умножение на них входных сигналов приводит к погрешности в выходном (выделенном) сигнале. Более того, способ-прототип предполагает проведение и других операций над сигналом, а именно - интегрирование, возведение в квадрат, суммирование, что также вносит дополнительные погрешности и неоправданное усложнение аппаратуры, предназначенной для выделения полезного сигнала датчика.

Цель предложения - увеличение точности при выделении сигналов дифференциального датчика.

Кроме того, достигается упрощение технической реализации предложенного способа.

Эта цель достигается тем, что в способе выделения сигналов дифференциального датчика, предусматривающем выделение разности сигналов дифференциального датчика U₁-U₂ и умножение ее на опорный сигнал, опорный сигнал формируют в виде суммы сигналов U₁+U₂ дифференциального датчика, а выделенный сигнал U определяют по формуле:
U=K • (U₁ - U₂) • (U₁ + U₂), (1)
где U - выделенный полезный сигнал датчика,
К - постоянный коэффициент, характеризующий конкретную техническую реализацию предложенного способа (ниже даны пояснения по поводу этого коэффициента),
U₁ и U₂ - сигналы дифференциального датчик.

На чертеже приведена блок-схема варианта устройства, реализующего предложенный способ.

Цифрами на чертеже обозначены:
1 - генератор переменного напряжения, предназначенный для питания дифференциального датчика;
2 - электромагнитный (индуктивный) датчик, содержащий излучающую катушку L1 и приемные катушки L2, L3;
3 - дифференциальный (разностный) усилитель;
4 - суммирующий усилитель;
5 - умножитель (синхронный детектор).

При необходимости умножитель 5 (синхронный детектор) может быть снабжен фильтром.

Выполнено устройство следующим образом. Выход генератора 1 переменного напряжения подключен к излучающей катушке L1 электромагнитного (индуктивного) датчика, выходы приемных катушек L2, L3 подключены ко входам дифференциального 3 и суммирующего 4 усилителей, выходы которых подключены ко входам умножителя 5.

Реализуются операции предложенного способа выделения сигналов дифференциального датчика следующим образом.

Переменное напряжение генератора 1 с помощью излучающей катушки L1 возбуждает переменное магнитное поле, охватывающее приемные катушки L2 и L3 датчика и измеряемый объект (на чертеже не показан). Поскольку дифференциальные датчики для обеспечения необходимой чувствительности выполняются с предельной симметрией, то и сигналы, наведенные в его катушках практически равны и по амплитуде, и по фазе. Разность этих сигналов, появляющаяся в процессе перемещения датчика вдоль измеряемого объекта, подлежит выделению.

Выходные сигналы U₁ и U₂ приемных катушек L1 и L2 дифференциального датчика 2 поступают на вход дифференциального усилителя 3, на выходе которою выделяется разностный сигнал (при необходимости - усиленный с коэффициентом усиления k₁), амплитуда и фаза (0 или 180^o относительно опорного сигнала) которого зависят от напряжений на этих катушках, т.е. от значения (или отклонения) измеряемого параметра.

Эти же сигналы поступают и на вход суммирующего усилителя 4, на выходе которого формируется суммарный опорный сигнал (при необходимости - также усиленный с коэффициентом усиления k₂).

Далее разностный и суммарный сигналы поступают на вход умножителя (синхронного детектора) 5, имеющего коэффициент передачи k₃. На выходе умножителя 5 выделенный сигнал U будет определяться формулой:
U=k₁ • k₂ • k₃ • (U₁-U₂) • (U₁+U₂), (2)
где k₁, k₂, k₃ - коэффициенты передачи дифференциального и суммирующего усилителей и синхронного детектора,
U₁ и U₂ - сигналы катушек дифференциального, датчика.

Предложенный способ выделения сигналов дифференциального датчика обеспечивает максимальную точность, поскольку опорный сигнал всегда в фазе с полезным (выделяемым), а устройства, его реализующие, практически не требует настройки: генератор переменного напряжения может работать практически на любой частоте, сигналы с катушек дифференциального датчика всегда в фазе между собой, опорный сигнал всегда в фазе с сигналами катушек датчика, промышленные помехи подавляются синхронным детектором (и его фильтром).

В настоящее время предложенный способ выделения сигналов с дифференциального датчика находится на стадии окончания эскизного проектирования и отработки экспериментальных макетов.

Изобретение может быть использовано в составе измерительных стендов предприятия, в машинах непрерывно-циклического действия типа БУМ-2 в составе системы управления ее исполнительными органами и пр.

Литература
1. Автоматизация производства и промышленная электроника в четырех томах. М., 1962, Том 1, с. 276, рис. b.

2. Справочник по радиоэлектронике в трех томах. Под ред. А. А. Куликовского. Том 1. М., "Энергия", 1967 г., с. 128, 129, рис. 3-1.

3. Справочник по радиоэлектронике в трех томах. Под ред. А. А. Куликовского. Том 1. М., "Энергия", 1967 г., с. 128, 129, рис. 3-3 (прототип).

Предложенный способ выделения сигналов дифференциального датчика относится к области электроники, измерительной техники и может быть использован в различных устройствах или системах измерения неэлектрических величин электрическими способами с использованием дифференциальных датчиков. Способ предусматривает выделение разности сигналов дифференциального датчика и умножение его на опорный сигнал, представляющий из себя сумму сигналов дифференциального датчика. При этом достигается увеличение точности при одновременном упрощении технической реализации способа выделения сигналов дифференциального датчика. 1 ил.

Способ выделения сигналов дифференциального датчика, предусматривающий выделение разности сигналов дифференциального датчика и умножение ее на опорный сигнал, отличающийся тем, что в качестве опорного сигнала используют сумму сигналов дифференциального датчика, а выделенный сигнал дифференциального датчика определяют по формуле
U = K(U1 - U2)(U1 + U2),
где U - выделенный сигнал датчика;
K - постоянный коэффициент, характеризующий конкретную техническую реализацию предложенного способа;
U1 и U2 - сигналы дифференциального датчика.