Двухфазный емкостной преобразователь угла Советский патент 1983 года по МПК G01B7/30 H03M1/24 

Изобретение относится к автомати ке и вычислительной технш е, а имен но к устройствам и элементам систем автоматического регулирования и упр ления, и служит для преобразования угла поворота вала в электрические сигна/нл, преимущественно с электрической редукцией угла, равной N 2 для п 2, 3, 4, 5 и т.д. Известны двухфазные емкостные пр образователи угла, содержащие два дифференциальных конденсатора, обра зованные диэлектрическими статором и ротором с нанесенными на них токо проводяшими полосками, являющимися подвижными и неподвижными электрода ми дифференциальных конденсаторов. Электроды, расположенные на роторе, через емкостной токосъем соединены с источником питания, а электроды, расположенные на статоре, образуют две параллельные цепи, выходное нап ряжение, на одной из котордх кзменщ.ется по синусоидальному, а на друго по косинусовдальному закону в функции угла поворота Ell. .Недостатком такого преобразователя является его сравнительно невы сокая точность, обусловленная чувствительностью датчшса к изменению зазора между подвюкными и неподвижными электродами дифференциальных конденсаторов. Изменение зазора меж ду электродами происходит вследствие эксцентриситета, эллипсности и биений ротора относительно статора. Известен двухфазный емкостной преобразователь угла, содержащий дв дифференциальных конденсатора, статорные электроды которых выполнены в виде полых соосных полуцилиндров и размещены с взаимным смещением на угол Г , а электроды ротора выполн ны в виде полуцилиндров Т-образного сечения и размещены между стенками полуцилиндров, в этом преобразовате ле существенно уменьшено влияние радиальных биений ротора на точност преобразования 2}. Однако из-за технологических пог решностей рабочие зазоры в каждом из дифференциальных конденсаторов получаются не равными друг другу, что приводит к погрешности в формировании фаз напряжений. Кроме того, необходимость обеспечения томного взаимного смещения на угол - стал 2 торных электродов дифференцигшьных конденсаторов приводит к .усложнению конструкции датчика из-за введения в нее механизмов подстройки. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является дв фазный емкостной преобразователь угла, который содержит трансформа- гор питания с регулируемой и нерегулируемой обмотками, дифференциальный конденсатор, образованные неподвижными питающим и токосъемным электродами с размещенными между ними экранирукяцим электродом. Питающий электрод дифференциального конденсатора подключен к нерегулируемой обмотке трансформатора, а его токосъемные электроды через компаратор токов и формирующий усилитель подключены к регулируемой обмотке трансФорматора. В этом емкостном преобразователе может быть достигнута более высокая точность преобразования по сравнению с предыдущими преоб разователями, поскольку величина за зора в дифференциальном конденсаторе является постоянной и не зависящей от перемещения, а модуляция, электростатического поля в зазоре конденсатора в функции перемещения осуществляется с помощью экранирующего электрода, биения которого в значительно меньшей степени влияют на погрешность преобразования Гз. Однако известный емкостной преобразователь угла обладает тем недостатком, то с его помощью формируется только одна фаза напряжения, например синусная. Поэтому его невозможно использовать в системах дистанционной передачи угла с электрической редукцией и в измерителях рассогласования позиционных следящих систем. Для получения двух фаз напряжения,- синусной и косинусной, необходимы два указанных емкостных моста, объединенных в одной конструкции и сдвинутых относительно друг друга в пространстве на угол S-. В этом случае конструкция преобразо- вателя в целом существенно усложняется и кроме того возникает дополнительная погрешность в формировании фазных напряжений, поскольку зазоры в обоих дифференциальных конденсаторах невозможно сделать равными друг другу, т.е. преобразователь приобретает те же недостатки, которые свойственны рассмотренному выше 1-ус тройству. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повы-; шение точности преобразователя. : Поставленная цель достигается тем, что в двухфазном преобразователе угла, содержащем трансформатор питания, первый усилитель, первый дифференциальный конденсатор, образованный питающим и токосъемиым электродами, расположенными на неподвижных диэлектрических дисках с размещенным между ними подвижным экранирукядим диском-электродом, причем первый выход трансформатора питания соединен с питающим электродом первого дифференциального конденсатора, трансформатор питания выполне со средней точкой, первый дифференциальный конденсатор вьшолнен с дополнительными питающими и токосъемны ми электродами, введены вторые усилитель и дифференциальный конденсатор, образованный питающими и токосъемными электродами, питающие электроды расположены на том же диэлектрическом диске, где расположены питающие электрода первого дифференциального конденсатора, причем питаю щие электроды первого дифференциального конденсатора размещены в двух противоположных квадрантах диэлектри ческого диска и образованы металлизированными секторами, а питающие Э1лектроды второго дифференци ального конденсатора размещены в двух других противоположных квадрантах диэлектрического диска и образо ваны 2 металлизированными секторами при этом для Ю 1 угловые размеры первых и последних металлизированных секторов в квадрантах питающего элект рода первого дифферанхщального конден сатора в два раза меньше угловых размеров остальных металлизированных секторов обоих дифференциальных конденсаторов, при этом все металлизированные сектора питающих электродов объединены в две кольцевые гребенки, размещенные одна в другую, а токосъемные электроды дифференциешьных конденсаторов выполнены в вцце четырех металлизированных секторов, размещенных напротив своих питакяцих электродов в соответствующих квадрантах второго.диэлектрического диска и отделены друг от друга защемленным контуром, подвижный экранирукадий диск-электрод имеет 2 окон и промежутков между ними с одинаковы ми угловыми размерами, равномерно распределенными по окружности подвижного диска-электрода, при этсйл радиальные размер окон меньше радиальных размеров металлизированных секторов питающих и токосъемных электродов дифференциальных конденсаторов, второй выход трансформатора питания соединен с питакадим электродом второго дифференциального конденсатора, выходы токосъемных электродов дифференщальных конденсаторов Jcoeдинeны с входами соответствующих усилителей. На фиг. 1а, б, в представлены электроды дифференциальных конден-саторов двухфазного емкостного преобразователя; на фиг. 2 - преобразователь в сборе. Преобразователь содержит неподвижный статорный диэлектрический диск 1, питающие электроды 2 и 3 дифференциальных конденсаторов, неподвижный (статорный диэлектрический диск 4 токос.ъемных электродов, токосъемные электроды 5 первого дифференциального конденсатора, токосъемные электроды 6 второго дифференциального конденсатора, заземляемый охранный контур 7, подвижный экранирующий диск-электрод 8, трансформатор 9 питания, усилители 10 и 11. Изображенный на фиг. 1 в качестве примера преобразователь имеет электрическую редукцию п 2 8 ( ft 3, т.е. за один оборот ротора преобразователя на 360 огибающие напряжений, формируемых на выходах усилителей 10 и 11, совёрдат 8 электрических периодов колебаний. Причем один электрический период колебаний совершается при повороте -ротора преобразователя на угол зсп о 45 . ; Для того, чтобы огибающие выходных напряжений преобразователя были сдвинуты по фазе-друг относит льно друга на 90 эл.град, на дйэлектри-. ческом диске 1 часть питаницих электродов 2 и 3, относящаяся к первому дифференциальному конденсатору и расположенная на 1-ом и -ем квадрантах указанного диска, содержит 2 + 2 10 металлизированных секторов, а часть питающих электродов 2 и 3, относящаяся к второму дифференциальному конденсатору и распо- . ложенная во П-ом и 1У-е квадрантах диска, содержит 2 2 8 металлизированных секторов. Угловые размеры металлизированных секторов, распо ;оженю1х в начале и в конце 1-го и |Г|-гоквадрантов, равны т.е. они в два раза меньше угловых размеров остальных секторов, которые рав«i. ны -у-. Фактические угловые размеры указанных секторов меньше на угловой размер диэлектрического промежутка . между секторами, который выбирается из условия технологической выполнимости. Все металлизированные сектора диска объединяются в две гребенки так1А( образом, что если выбрать за начало отсчета начало 1-го квадранта, то все нечетные сектора 1-го и 11-го квадрантов объединяются в одну гребенку, например внутреннюю I фиг. 1а), а все четные сектова - в наружную гребенку. В Щ-м и yf-ом квадрантах сектора объединяются наоборот. Таким, образом, получаются питающие электроды 2 и 3 обоих дифференциальных

конденсаторов, котоЕяле подсоединяются к противоположным фазам напряжения питания, получаемого от обмоток трансформатора 9, Электрическое поле, создаваемое питающими электродами 2 и 3, проецируется через окт на экранирующего электрода 8 на токосъемные электроды 5 и б, расположеные на втором статорном диэлектрическом диске 4. .Этот диск ориентируется по отношению к диску с питающими электродами таким образом, чтобы одноименные квадранты дисков находились напротив друг друга. В этом случае 1-ые и Ш-и квадранты дисков образуют 1-й дифференциальнЕлй конденсатор, а П-е и 1У-е:. квадранты дисков образуют 2-й дифференциальный конденсатор. Токосъемные э.лектроды занимают все пространство квадрантов Jp для предотвращения, токов утечки с токосъемник электродов одного дифференциального конденсатора на Токосъемные электроды другого дифференциального конденсатора отделены друг от друга заземленным охранным контуром 7,

Экранирующий диск-электрод 8 имеет 2 2- 8 окон и Столько же промежутков между ними. Угловые раз меры окон и промежутков одинаковы и

равны -г- Радиальные размеры окон

диска должны выбираться меньше радиальных размеров сектора питающих и токосъемных электродов с тем, чтобы при наличии радиальных биений окна диска не выходили за пределы рабочих зон секторов питающих и токосъемных электродов. Конкретные радиальные размеры элементов электродов выбираются исходя из ожидаемых радиальны биений. Экранирующий диск-электрод 8 может быть выполнен как из металла так и в виде металлизированного рисунка на диэлектрическом диске. В , первом случае толщина его может быть небольшой и соответственно увели.чивается рабочая емкость конденсаторов

Однако в этом случае необходимо материал диска выбирать с учетом одинаковости температурных расширеНИИ статорных и роторного дисков. Во втором.случае материал всех дисков будет одинаковым, но рабочая емкость конденсаторов будет меньше из-за увеличения рабочего зазора на величину

, толщины экранирующего диска-электро да 8.

Если совместить координатные оси дисков по фиг. 1а, б, в и собрать преобразователь так, как показано на фиг. 2, то в исходном положении на Токосъемные электроды 5 через окна экранирующего диска-электрода 8 проецируются равные площади секторов

питающих электродов 2 и 3, подключенных к противоположным фазам нап ряжения питания, получаемого с обмоток трансформатора 9.

Следовательно, результирующий емкостной ток в суммирующей точке усилителя 10 будет равен нулю и выходное напряжение U,, (of) также равно нулю. В то же время на Токосъемные электроды б через окна экранирующего диска-электрода 8 проецируются сектора питающего электрода 3 и на выходе усилителя 11 имеет место максимум напряжения U () . При вращении экранирующего электрода 8 в ту или иную сторону происходит изменение проецируемых площадей питающих электродов 2 и 3 на токосъемные электроды 5 и 6, что приводит к увеличению напряжения U () и уменьшению напряжения U («t). При перемещении экранирующего электрода на угол, равный , огибающие обоих напряжений и(и (JuW- совершают один полный электрический период изменения амплитуды. При дальнейшем перемещении экранирующего электрода электрические процессы в преобразователе повторяются.

Предлагаемый двухфазный преобразователь отличается от известных тем, что позволяет сформировать обе фазы напряжен1й при наличии только трех рабочих элементов конденсатора. Причем рабочая емкость образуется только двумя неподвижньши статорными дисками, что обеспечивает одинаковость и относительную стабильности ее в обоих дифференциальных конденсаторах.

Расположение рабочих элементов конденсаторов в противоположных квадрантах позволяет исключить влияние неравномерностей рабочего зазора на величину емкости конденсаторов и уменьшить влияние радиальных биений на погрешность преобразования. Д при полной соосности двух из трех дисков преобразователя и при соответствующем выборе радиальных размеров электродов данная конструкция преобразователя позволяет исключить влияние радиальных биений на погрешность преобразования. В этом случае ошибка от радиальных биений будет постоянной величиной, не зависящей от угла поворота ротора преобразователя в пределах рабочего зазора.

Предлагаемый преобразователь может иметь и цилиндрическую конструцию рабочих электродов. В этом случа радиальные биения ротора практически не вызывают появления угловой погрешности преобразования.

ДВУХФАЗНЫЙ ЕМКОСТНОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА., содержащий трансформатор питания , первый усилитель, первый дифференциальный конденсатор, образованный питающим и токосъемным электродами, распрложенными на неподвижных диэлектрических дисках с размещённым между ними подвижным экранирующим диском-электродом, причем первый выход трансформатора питания соединен с питающим электродом первого дифференциального конденсатора, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей преобразователя и повьипения его точности, в преобразователе трансформатор питания выполнен со средней точкой, первый дифференциальный конденсатор с дополнительными питающими и токосъемными электродами/введены вторые усилитель и дифференциальный конденсатор, образованный питающими и токосъемными электродами, питакяцие электроды расположены на том же диэлектрическом диске, где расположены питающие электроды первого дифференциального конденсатора, причем питакяцие электроды первого дифференциального конденсатора размещены в двух противополржных квадрантах диэлектрического диска и образованы 2 +2 металлизированными секторами, а питающие электроды второго дифференциального конденсатора размещены в двух других противоположных квадрантах даэлектрического диска и образованы 2г мeтaJIлизиpoвaнными секторами, при этом для h 1 угловые размеры первых и последних металли-зированных секторов в квадрантах питающего электрода первого дифференциального конденсатора в два раза меньше угловых размеров остальных i металлизированных секторов обоих дифференциальных конденсаторов, при этом все металлизированные сектора питающих электродов объединены в Л -две кольцевые гребенки, размещенные одна в.другую, а токосъемные электра ды дифференциальных конденсаторов выполнены в виде четырех металлизированных секторов, размещенных нап ротйв своих питаняцих электродов в соответствующих квадрантах второго диэлектрического диска и отделены друг от друга заземленным контуром, подвижный экранирукнций диск-электрод имеет,- одинаковых окон и промежутков между ними с одинаковыми угловыми размерами, равномерно распределенными по окружности подвижного диска-электрода, при этом радиальные размеры окон меньше радиальных размеров металлизированных секторов питающих и токосъемных электрюдов дифференциальных конденсато ров, второй выход трансформатора питания соединен с питающим электродом второго дифференциального конденсатора, выходы токосъемных электродов дифференциальных конденсаторов соединены с входами соответствующих усилителей.