АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ФАЗОВЫМ ВЫХОДОМ Российский патент 2003 года по МПК G01B7/00 

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

Известно устройство [1] перемещение-фаза, содержащее источник переменного напряжения, преобразователь, масштабирующий контур в виде последовательно включенных фазовращателя и масштабирующего звена, сумматор и фазометр.

Недостатком указанного устройства является низкая точность преобразования, обусловленная малой величиной приращения фазы суммарного сигнала на единицу перемещения, так как изменение амплитуды происходит только вследствие изменения одного из геометрически суммируемых сигналов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является трансформаторный датчик перемещений с фазовым выходом [2], содержащий: ферромагнитный сердечник Ж-образного сечения, якорь, выполненный из ферромагнитного материала и связываемый в процессе измерений с контролируемым объектом, симметрирующую пластину, выполненную из ферромагнитного материала, две секции обмотки возбуждения и две секции измерительной обмотки, резистор, избирательный усилитель, фазометр.

Недостатком известных вышеприведенных датчиков является малый диапазон измерения, т. к. при использовании в этих датчиках ферромагнитного якоря и ферромагнитной замыкающей пластины модуляции выходных напряжений по амплитуде осуществляются вследствие изменения взаимно-индуктивной связи между обмотками возбуждения и измерительными обмотками при перемещении якоря от датчика на незначительное расстояние, не превышающее 0,2 диаметра датчика [3].

Предлагаемая конструкция датчика позволит значительно расширить в сторону увеличения диапазон измерения перемещений. Согласно предлагаемой конструкции расширение диапазона измерения достигается за счет того, что в него введены дополнительный контур, состоящий из фазосдвигающей цепи и масштабирующего звена, сумматор, причем электропроводящий якорь и замыкающая пластина, размещенные по торцам Ж-образного сердечника рабочей и компенсационной обмоток, выполнены из диамагнитного материала для обеспечения модуляции выходных напряжений по амплитуде за счет токовихревого эффекта. При этом секции обмотки возбуждения подключены к источнику переменного напряжения, сигнальный вывод рабочей секции измерительной обмотки соединен с первым входом сумматора, сигнальный вывод компенсационной секции измерительной обмотки соединен с первым входом фазометра и через дополнительный контур со вторым входом сумматора, при этом выход сумматора соединен со вторым входом фазометра.

Амплитудно-фазовый трансформаторный датчик перемещений с фазовым выходом (фиг. 1) содержит: 1 - источник переменного напряжения, 2 - рабочий и 3 - компенсационный трансформаторы с разомкнутыми магнитопроводами; 4 - рабочий якорь, связываемый в процессе измерения с контролируемым объектом и 5 - замыкающую пластину, размещенные у открытых торцов трансформаторов и выполненные из диамагнитного, обладающего большой электропроводностью материала; 6 - дополнительный контур, выполненный в виде последовательно включенных 7 - фазоодвигающей цепи и 8 - масштабирующего звена, 9 - сумматор, 10 - фазометр.

На центральном стержне Ж-образного ферромагнитного сердечника рабочего и компенсационного трансформаторов размещены секции W_1p и W_1к-обмотки возбуждения, секции W_2p и W_2к-измерительной обмотки.

Секции W_1p и W_1к электрически соединены между собой последовательно согласно и подключены к выходу источника 1 переменного напряжения, сигнальный вывод рабочей секции измерительной обмотки подключен к первому входу сумматора 9, а сигнальный вывод компенсационной секции измерительной обмотки подключен к первому входу фазометра 10 и через дополнительный контур ко второму входу сумматора 9, выход сумматора подключен ко второму входу фазометра 10.

Амплитудно-фазовый трансформаторный датчик перемещений с фазовым выходом работает следующим образом.

При подаче синусоидального напряжения U_n~ с выхода источника 1 питания, имеющего малое внутреннее сопротивление, на рабочую W_1p и компенсационную W_1к секции обмотки возбуждения в секциях W_2р и W_2к измерительных обмоток возбуждаются напряжения U_p(х) и U_к(х).

При перемещении контролируемого объекта и связанного с ним рабочего якоря 4 в направлении увеличения зазора Х (на фиг.1 показано стрелкой) в диамагнитном электропроводящем якоре 4 наводятся изменяющиеся по величине вихревые токи, создающие магнитное поле, направленное встречно магнитному полю, создаваемому током, протекающим по обмотке возбуждения рабочего трансформатора 2.

В результате взаимодействия двух магнитных полей возбуждающее магнитное поле рабочего 2 трансформатора увеличивается, т.к. действие встречно направленного магнитного поля, создаваемого вихревыми токами, становится меньше с увеличением измеряемого перемещения и вследствие этого увеличивается возбуждаемое напряжение U_p(x) в секции W_2p измерительной обмотки рабочего трансформатора, а напряжение U_к(х) в секции W_2к измерительной обмотки компенсационного трансформатора уменьшается за счет перераспределения напряжений на секциях W_1p и W_1к обмотки возбуждения, запитываемых от источника напряжения, имеющего малое внутреннее сопротивление.

Напряжения U_p(x) и U_к(х) связанны с перемещением Х зависимостью, близкой к экспоненциальной:
U_(x) = U₀•e^±αx, (1)
где U₀ - напряжение с сигнального вывода рабочей секции W_2p измерительной обмотки или с сигнального вывода компенсационной секции измерительной обмотки при Х = 0 мм;
α- показатель степени экспоненциальной функции (берется со знаком "+" для возрастающей функции и со знаком "-" для убывающей функции).

С помощью фазовращающей цепи 7 между синусоидальными напряжениями U_p(x) и U_к(х) устанавливают угол сдвига фаз Ψ₀ больше 90^o, но меньше 180^o. Напряжения U_p(x) и U'_к(х) геометрически суммируют на сумматоре 9, а результирующие (суммарное) напряжение U_Σ(x) и напряжение U_к(х) поступают на входы фазометра 10, с выхода которого снимается зависимость фазы выходного результирующего U_Σ(x) от перемещения, т.е. фаза ϕ_вых = f(x) вектора результирующего напряжения U_Σ(x) изменяется при этом от значения ϕ₂ до значения ϕ₁ (фиг.2).

Функция преобразования датчика определяется следующим выражением:

где ϕ_вых - фаза результирующего сигнала U_Σ(x) относительно вектора напряжения U_к(х);
ψ₀ - угол сдвига фаз между векторами напряжений U_p(x) и U_к(х), устанавливаемый с помощью фазосдвигающей цепи 7.

Для получения оптимальной линейности выходной характеристики датчика устанавливают необходимый угол сдвига фаз ψ₀ между напряжениями U_p(x) и U_к(х) c помощью фазосдвигающей цепи 7 и амплитуду сигнала U_к(х) изменяют с помощью масштабирующего звена 8 до величины U'_к(х), при которой отношение U_p(x)/U_k(х) в конечной точке диапазона измерения принимает значение, близкое к 1, а по мере приближения объекта контроля и связанного с ним рабочего якоря 4 к начальной точке диапазона измерения это отношение должно уменьшаться.

Таким образом, при изменении модулированных напряжений U_p(x) и U_к(х) на секциях измерительных обмоток в функции перемещения Х изменяется и фаза выходного результирующего напряжения U_Σ(x) на величину |ϕ₁-ϕ₂|.

На векторной диаграмме выходных напряжений датчика (фиг.2) индексом "К" обозначены напряжения, соответствующие максимальному значению измеряемого перемещения X_max, а индексом "Н" - напряжения, соответствующие минимальному значению перемещения X_min.

Расширение диапазона измерения датчика достигается за счет повышения чувствительности преобразования в конце диапазона измерения вследствие того, что модуляция по амплитуде выходных напряжений U_p(x) и U_к(х) осуществляется за счет использования токовихревого эффекта, создаваемого диамагнитными токопроводящими якорями 4 и 5, изготовленными из материала с магнитной проницаемостью, равной 1, и обладающего высокой электропроводностью (медь, алюминий и т.п.).

Модуляция выходных напряжений U_p(x) и U_к(х) по амплитуде в функции перемещения за счет использования токовихревого эффекта осуществляется в результате взаимодействия магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения трансформатора с открытым торцом и магнитного поля, создаваемого вихревыми токами в электропроводящем якоре при его перемещении на расстояние от 0 до значения, достигающего величины (0,5÷0,6) от наружного диаметра датчика, что в соответствии с выражением (2) и обуславливает изменение фазы результирующего сигнала в функции перемещения ϕ_вых =f(x) в диапазоне измерения от 0 до (0,5÷0,6)D, где D наружный диаметр датчика.

В датчике-прототипе модуляция выходных напряжений по амплитуде осуществляется за счет изменения взаимно индуктивной связи между обмоткой возбуждения и измерительной обмоткой трансформатора с открытым торцом вследствие перемещения ферромагнитного якоря, связанного с объектом контроля, на максимальное расстояние, не превышающее значения (0,15÷0,3) от наружного диаметра датчика. Это обусловлено тем, что в датчике-прототипе модуляция выходных напряжений обусловлена двумя явлениями: изменением взаимно индуктивной связи за счет магнитных свойств перемещаемого ферромагнитного якоря (μ много больше 1) и токофихревого эффекта (ферромагнитный якорь обладает электропроводностью), оказывающего противодействия ("паразитное" действие) на изменение амплитуды выходных напряжений, т.е. если при приближении к датчику ферромагнитного якоря за счет первого явления выходное напряжение U_p(x) возрастает, то за счет второго явления U_p(x) уменьшается.

Таким образом, использование предлагаемого амплитудно-фазового трансформаторного датчика перемещений с фазовым выходом позволит повысить чувствительность преобразования в конце диапазона измерения за счет использования токовихревого эффекта для модуляции по амплитуде геометрически суммируемых напряжений U_p(x) и U_к(х) на расстоянии, в 2 раза большем, чем в датчике-прототипе, а следовательно, и расширить в 2 раза диапазон измерения, а также увеличить в 2 раза отношение X_g/D (где X_g - диапазон измерения; D - наружный диаметр датчика), т.е. и уменьшить габаритные размеры датчика.

Источники информации
1. SU, патент 1260664, G 01 B 7/00, 30.09.1986. Бюл. 36.

2. SU, патент 1627820, G 01 B 7/00, 15.02.1991. Бюл. 6.

3. В. И. Середенин "Измерительные приборы с высокотемпературными трансформаторными датчиками перемещения". Энергия. Л. 1968.2

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения перемещений. Технический результат: расширение диапазона измерения. Сущность: в датчик введен дополнительный контур, состоящий из фазосдвигающей цепи и масштабирующего звена, якоря и замыкающей пластины из электропроводящего диамагнитного материала для обеспечения модуляции выходных напряжений по амплитуде за счет создаваемого якорем и замыкающей пластиной токовихревого эффекта. При этом секции обмотки возбуждения подключены к источнику переменного напряжения, сигнальный вывод рабочей секции измерительной обмотки подключен к первому входу сумматора, сигнальный вывод компенсационной секции измерительной обмотки - к первому входу фазометра и через дополнительный контур ко второму входу сумматора, выход сумматора подключен ко второму входу фазометра. 2 ил.

Амплитудно-фазовый трансформаторный датчик перемещений с фазовым выходом, содержащий Ж-образный ферромагнитный сердечник с двухсекционной обмоткой возбуждения на центральной части сердечника, соединенной последовательно согласно, и с двухсекционной рабочей измерительной обмоткой, состоящей из рабочей и компенсационной секций, соединенных между собой последовательно встречно, избирательный усилитель и фазометр, отличающийся тем, что в него введены дополнительный контур, состоящий из фазосдвигающей цепи и масштабирующего звена, сумматор, причем электропроводящий якорь и замыкающая пластина размещены по торцам Ж-образного сердечника со стороны рабочей и компенсационной обмоток и выполнены из диамагнитного материала, а секции обмотки возбуждения подключены к источнику переменного напряжения, при этом сигнальный вывод рабочей секции измерительной обмотки соединен с первым входом сумматора, сигнальный вывод компенсационной секции измерительной обмотки - с первым входом фазометра и через дополнительный контур со вторым входом сумматора, а выход сумматора - со вторым входом фазометра.