СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 2011 года по МПК G01B17/00 

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано при построении элементов измерительных устройств и систем автоматического управления.

Известен способ преобразования перемещений, включающий возбуждение ультразвуковых волн в рабочем и опорном каналах, каждый из которых содержит по элементу возбуждения и элементу считывания, размещенных на общем ферромагнитном звукопроводе, температура которого по длине звукопровода постоянна, а концы его помещены в демпферы, при этом опорный и рабочий каналы разделены демпфером, размещенном на звукопроводе, регистрацию ультразвуковых волн в каждом канале, измерение частоты циркуляции ультразвуковых волн в каждом канале, вычисление отношения частоты циркуляции ультразвуковых волн в опорном канале к частоте циркуляции ультразвуковых волн в рабочем канале, причем в опорном канале расстояние между элементами возбуждения и считывание неизменно, тогда как элемент возбуждения в рабочем канале имеет возможность перемещаться относительно неподвижного элемента считывания (АС №493045).

Недостатком способа является значительная погрешность преобразования перемещения из-за того, что частота циркуляции ультразвуковых волн в звукопроводе опорного канала, протяженность которого неизменна, зависит только от средней температуры звукопровода, тогда как частота циркуляции ультразвуковых волн в звукопроводе рабочего канала зависит как от величины перемещения, так и от средней скорости ультразвуковых волн, которая определяется средней температурой участка рабочего канала, равного преобразуемому перемещению, которая зависит от градиента температуры по его длине.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ преобразования перемещений, включающий возбуждение упругих волн в рабочем и опорном каналах, каждый из которых содержит по элементу возбуждения и элементу считывания, размещенных на параллельных, имеющих одинаковые размеры и температуру, ферромагнитных звукопроводов опорного и рабочего каналов, выполненных из одного и того же материала, концы которых помещены в общие демпферы, регистрацию упругих волн в рабочем и опорном каналах, измерение частоты циркуляции упругих волн в каждом канале, вычисление отношения частоты циркуляции упругих волн в опорном канале к частоте циркуляции крутильных волн в рабочем канале, причем в опорном канале расстояние между элементами возбуждения и считывания неизменно, тогда как в рабочем канале элемент возбуждения имеет возможность перемещаться относительно неподвижного элемента считывания (АС №634494).

Недостатком способа является значительная погрешность преобразования перемещений, так как частота циркуляции ультразвуковых волн в звукопроводе опорного канала определяется неизменной длиной звукопровода и средней скоростью ультразвуковых волн в нем, которая зависит от средней температуры звукопровода опорного канала, тогда как в рабочем канале частота циркуляции ультразвуковых волн зависит как от величины перемещения, так и от средней температуры участка рабочего канала, которая зависит от градиента температуры по его длине.

Для достижения технического результата - повышения точности преобразования линейных перемещений одновременно возбуждают крутильные волны в первом и во втором параллельных, имеющих одинаковые размеры, соединенных последовательно и подключенных к генератору импульсов тока возбуждения ферромагнитных волноводам, концы которых размещены в демпферах, регистрируют крутильные волны в волноводах, измеряют в каждом волноводе время распространения крутильных волн от момента возбуждения до момента их регистрации, при этом крутильные волны возбуждают в первом и во втором ферромагнитных волноводах постоянным магнитом, которые имеют возможность перемещаться вдоль ферромагнитных волноводов, на одинаковом расстоянии от мест их регистрации, а перемещение вычисляют по формуле:

где - τ₁ и τ₂ - интервалы времени от момента возбуждения до моментов регистрации крутильных волн соответственно в первом и во втором волноводах: - k₁ и k₂ - постоянные равные,

- c₁₀ и c₂₀ - скорости распространения крутильных волн в первом и во втором волноводах при температуре 20°C;

- α₁ и α₂ - температурные коэффициенты скоростей крутильных волн соответственно для первого и второго волноводов, причем материалы первого и второго волноводов выбирают такими, чтобы скорости распространения крутильных волн c₁₀ и c₂₀ при температуре 20°C и температурные коэффициенты скоростей крутильных волн α₁ и α₂ были бы различными.

В обоих волноводах возбуждают крутильные волны.

Крутильные волны возбуждают общим постоянным магнитом, который перемещается вдоль волноводов.

Регистрацию крутильных волн в волноводах осуществляют неподвижными преобразователями магнитного поля, которые размещены у одного из демпферов.

При возбуждении крутильных волн в ферромагнитных волноводах на расстоянии х от мест их регистрации, крутильные волны достигнут последних соответственно через промежутки времени.

где

- - средняя температура волноводов;

В формулах (3)-(7)

- c₁ и c₂ - средние скорости крутильных волн в первом и во втором волноводах при средней температуре участков волноводов протяженностью х;

Так как расстояния x, которые проходят крутильные волны в волноводах от места их возбуждения до мест их регистрации, одинаковы, то

то из уравнения (8) можно найти:

- среднюю температуру участков волноводов от места возбуждения в них крутильных волн до мест их регистрации

- перемещение

Так как участки ферромагнитных волноводов опорного и рабочего каналов протяженностью x находятся в одинаковых температурных условиях, то результат преобразования перемещения x зависит только от точности измерения промежутков времени и погрешности вычисления перемещения x по формуле (10), чем обеспечивается технический результат.

На чертеже представлена структурная схема преобразователя перемещений, реализующего способ.

Преобразователь перемещений состоит из чувствительного элемента 1 и электронного блока 2.

Чувствительный элемент преобразователя перемещений содержит первый и второй ферромагнитные волноводы 3 и 4 равной длины, одноименные концы которых размещены в демпферах 5 и 6 и неподвижные элементы регистрации крутильных волн 7 и 8, немагнитный цилиндрический корпус 9, в котором размещены ферромагнитные волноводы 3 и 4 с элементами регистрации крутильных волн 7 и 8.

Возбудителем крутильных волн в волноводах 3 и 4 является постоянный магнит 10, который выполнен кольцевым, намагничен по образующей и имеет возможность перемещаться вдоль немагнитного корпуса 9.

Электронный блок 2 содержит генератор импульсов тока возбуждения 11, усилители-формирователи временных интервалов 12 и 13, своими входами подключенные к элементам регистрации крутильных волн 7 и 8, вычислительное устройство 14, в памяти которого находятся постоянные k₁ и k₂, и блок управления 15, выход которого подключен к генератору импульсов тока возбуждения 11, к усилителям-формирователям временных интервалов 12 и 13 и к вычислительному устройству 14.

Ферромагнитные волноводы 3 и 4 соединены последовательно и подключены к генератору импульсов тока возбуждения 11.

Устройство, реализующее способ преобразования линейных перемещений, работает следующим образом.

По команде от блока управления 15 усилители-формирователи временных интервалов 12 и 13 и вычислительное устройство 14 устанавливаются в исходное состояние, а на выходе генератора импульсов тока возбуждения возникает импульс напряжения, под действием которого по ферромагнитным волноводам 3 и 4 протекает импульс тока возбуждения.

В результате взаимодействий импульса тока возбуждения в волноводах 3 и 4 с полем постоянного магнита 10 в ферромагнитных волноводах 3 и 4 под постоянным магнитом возбуждаются крутильные волны (прямой эффект Видемана), которые распространяются по ферромагнитным волноводам от мест возбуждения в обе стороны со скоростями c₁ и c₂. Те волны, которые распространяются по ферромагнитным волноводам 3 и 4 вправо, через промежутки времени, соответственно равные

достигнут неподвижных элементов регистрации крутильных волн 7 и 8 и наведут в них импульсы э.д.с. считывания (обратный эффект Видемана). Распространяясь далее, крутильные волны демпфером 6 поглощаются.

Те волны, которые распространяются по ферромагнитным волноводам 3 и 4 влево, достигают демпфера 5 и также поглощаются им.

Импульсы э.д.с. считывания с выходов элементов регистрации крутильных волн 7 и 8 поступают соответственно на входы усилителей-формирователей временных интервалов 12 и 13, в результате чего на выходе последних возникают прямоугольные импульсы длительностью τ₁ и τ₂. Эти импульсы поступают на входы вычислительного устройства 14, где вычисляется искомое перемещение x по формуле (1).

В качестве неподвижных элементов регистрации крутильных волн используются преобразователи магнитного поля.

Изобретение относится к автоматике и измерительной технике и может быть использовано при построении элементов измерительных устройств и систем автоматического управления. Техническим результатом изобретения является повышение точности преобразования перемещений. В двух параллельных, имеющих одинаковые размеры, ферромагнитных волноводах, концы которых размещены в демпферах, соединенных последовательно и подключенных к генератору импульсов тока возбуждения, одновременно возбуждают подвижным постоянным магнитом крутильные волны на равном расстоянии от мест их регистрации, измеряют время распространения крутильных волн в каждом волноводе и вычисляют перемещение по приводимым формулам, причем материалы волноводов выбирают так, чтобы скорости крутильных волн и температурные коэффициенты скоростей крутильных волн в волноводах были бы различными. Регистрацию крутильных волн в волноводах осуществляют неподвижными преобразователями магнитного поля, которые размещены у одного из демпферов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ преобразования линейных перемещений, включающий возбуждение крутильных волн в первом и во втором параллельных, имеющих одинаковые размеры, ферромагнитных волноводах, концы которых размещены в демпферах, регистрацию крутильных волн в ферромагнитных волноводах первым и вторым элементами регистрации крутильных волн, которые размещены у одного из демпферов, измерение интервалов времени распространения крутильных волн в каждом ферромагнитном волноводе от момента возбуждения до момента их регистрации, отличающийся тем, что в ферромагнитных волноводах, соединенных последовательно и подключенных к генератору импульсов тока возбуждения, одновременно возбуждают постоянным магнитом, который имеет возможность перемещаться вдоль ферромагнитных волноводов, крутильные волны на одинаковом расстоянии от мест их регистрации, а перемещение определяют по формуле

где τ₁ и τ₂ - интервалы времени распространения крутильных волн от момента возбуждения до момента их регистрации соответственно в первом и во втором ферромагнитных волноводах;
k₁ и k₂ - постоянные, равные
и
c₁₀ и с₂₀ - скорости крутильных волн в первом и втором ферромагнитных волноводах при температуре 20°С;
α₁ и α₂ - температурные коэффициенты скоростей крутильных волн первого и второго волноводов, причем материалы ферромагнитных волноводов выбирают такими, чтобы скорости крутильных волн и температурные коэффициенты скоростей крутильных волн в них были бы различными.

2. Способ преобразования перемещений по п.1, отличающийся тем, что первым и вторым элементами регистрации крутильных волн в ферромагнитных волноводах являются преобразователи магнитного поля.