Кодирующий преобразователь перемещения Советский патент 1984 года по МПК G08C9/02 

и вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом триггера знака, выходы триггера знака являются другими управляющими выходами логического блока, управляющий вход логического блока соединен с третьим входом первого элемента И и вторыми входами первой группы элементов И,К следующих выходов регистра сдвига соединены с третьими входами первой группы элементов И, вторыми входами второй группы элементов И, вг.гходыкоторых соединены с вторыми входами триггеров разрядов, вторые выходы триггеров разрядов соединены с первыми входами третьей .группы элементов И, последний выход регистра сдвига соединен с вторыми входа.ми второго и третьего элементов И, выход третьего элемента И соединен с вторыми входами третьей группы элементов И, а выход второго элемента И соединен с вторыми входами первой группы элементов ИЛИ и триггером знака.

. 1. КОДИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ, содержащий трансформатор напряжения, включающий основную вторичную обмотку с отводами и дополнительную вторичную обмотку, емкостный датчик с неподвижными крайними и подвижной средней пластинами и логический блок, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности -и упрощения преобразователя, в него введены два коммутатора, блок ключевых элементов, индикатор фазы и генератор тактовых импульсов, а основная вторичная обмотка вьтолнена с отводом в средней точке, выход генератора тактовых импульсов соединен с тактовым входом логического блока, одни управляющие выходы которого соединены с соответствующими входами блока ключевых элементов, выходы которого соединены с отводамиосновной вторичной обмотки трансформатора напряжения, начало и конец которой соединены соответственно с первыми и вторыми входами первого и второго коммутаторов, третьи входы коммутаторов соединены с неподвижными крайними пластинами емкостного датчика, подвижная средняя пластина которого соединена спервым входом индикатора фазы, выход индикатора фазы соединен с управляющим входом логического бло- . ка, другие управляющие выходы которого соединены с четвертыми входами соответствующих коммутаторов, второй вход индикатора фазы соединен с началом дополнительной вторичной обмотки трансформатора напряжения, конец которой и отвод средней точки основной . вторичной обмотки трансформатора напряжения подключены к общей шине. 2. Преобразователь по п.1, о т - S личающийся тем, что логический блок содержит группы элементов И, группы элементов ИЛИ, элементы И, триггеры разрядов и знака, регистр сдвига с (К.+2) выходами и инэертор, выход которого соединен с первыми входами первого, второго элементов И и первой группой элементов И, выходы которых соединены с первыми входами первой группы элементов ИЛИ, выходы которых соединены с первыми входами триггеров разрядов, первые выходы триггеров разрядов соединены с первыми входами второй группы элементов ИЛИ, выходы которой и вторые выходы триггеров разрядов являются одними управляющими выходами логического блока, тактовый вход логического блока соединен с входом инвертора, с первыми входами второй группы элементов И и третьего элемента И и входом регистра сдвига, первый выход регистра сдвига соединен с вторыми входами второй группы элементов ИЛИ

1

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в технике линейных и угловьк измерений при сейсмических исследованиях.

Известен преобразователь пере.мещения, содержащий емкостно-чувствительные элементы, высокочастотный генератор, соединенный с входом порогового устройства LIJ .

Однако известный преобразователь не обладает высокой точностью.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является кодирующий преобразователь перемещения, содержащий трансформатор напряжения с первичной, основной вторичной и дополнительной вторичной обмотками и емкостной датчик с переменным зазором, причем основная вторичная обмотка выполнена с отводами, а емкостный датчик с переменным зазором выполнен с двумя крайними и одной средней пластинами; подстроечные конденсаторы, логический блок, включающий фазочувствительные детекторы и элементы НЕ и И, причем трансформатор напряжения соединен с емкостным датчиком по мостовой схеме, каждый отвод трансформатора напряжения через соответствующий подстроечный конденсатор соединен со средней пластиной емкостного датчика, крайние пластины которого соединены с началом и концом основной вторичной обмотки трансформатора напряжения 2J.

Недостатками известного преобразователя являются низкая точность из-за нелинейности выходного кппа or измеряемого перемещения и влияния внешни возмущающих факторов на параметры построечных конденсаторов и сложная конструкция, обусловленная тем. Что число отводов основной вторичной обмотки трансформатора напряжения, колчество подстроечных конденсаторов, фазочувствительных детекторов и логических элементов возрастает прямо пропорционально числу градаций преобразователя измеряемого перемещения в цифровой код.

Цель изобретение - повьпиение точности и упрощение кодирующего преобразователя перемещения.

Поставленная цель достигается тем, что в кодирующий преобразователь перемещения, содержащий трансформатор напряжения, включающий основную вторичную отмотку с отводами и дополнительную вторичную обмотку, емкостный датчик с неподвижными крайними и подвижной средней пластинами и логический блок, введены два коммутатора, блок ключевых элементов, индикатор фазы и генератор тактовых импульсов, а основная вторичная обмотка вьтолнена с отводом в средней точке, выход генератора тактовых импульсов соединен с тактовым входом логического бло ка, одни управляющие выходы которого соединены с соответствующими входами блока ключевых элементов, выходы которого соединены с отводами основной вторичной обмотки-трансформатора напряжения, начало и конец которой соединены соответственно с первыми и вторыми входами первого и второго коммутаторов, третьи входы коммутаторов соединены с неподвижными крайними пластиками емкостного датчика, подвижная средняя пласти а которого соединена с первым входом индикатора фазы, выход индикатора фазы соединен с управляющим входом логического блока, другие управляющие выходы которого соединены с четвертыми входами соответствующих коммутаторов, второй вход индикатора фазы соединен с началом дополнительной вторичной обмотки трансформатора напряжения, конец кото,рой и отвод средней точки основной вторичной обмотки трансформатора напряжения подключены к общей шине.

Логический .блок содержит группы элементов И, группы элементов ИЛИ, элементы И, триггеры разрядов и знака, регистр сдвига с (К+2) выходами и инвертор, выход которого соединен с первыми входами первого, второго элементов И и первой группой элементов И, выходы которых соединены с первыми входами первой группы элементов ИЛИ, выходы которых соединены с первыми входами триггеров разрядов, первые выходы триггеров разрядов соединены с первьгми входами второй группы элементов ИЛИ, выходы которой и вторые выходы триггеров разрядов являются одними управляющими выходами логического блока, тактовый вход логического блока соединен с входом инвертора, с первыми входами второй группы элементов И и третьего элемента И и входом регистра сдвига, первый выход регистра сдвига соединен с вторыми входами второй группы элементов ИЛИ и вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом триггера знака, выходы триггера знака являются другими управляюпщми выходами логического блока, управляющий вход логического блока соединен с третьим входом первого элемента И и вторыми входами первой группы элементов И, к. следующих выходов регистра сдвига соединены с третьими входами первой группы элементов И, вторыми входами второй группы элементов И, выходы которых соединены с вторыми входами триггеров разрядов, вторые выходы триггеров разрядов соединены с первыми входами третьей Труп пы элементов И, последний выход регистра сдвига соединен с вторыми входами второго и третьего элементов И, выход третьего элемента И соединен с вторыми входами третьей группы элементов И, а выход второго элемента И соединен с вторыми входами первой группы элементов ИЛИ и триггером знака.

На чертеже приведена функциональная схема кодирующего преобразователя перемещения.

Преобразователь содержит трансформатор 1 напряжения с первичной 2, ос новной вторичной 3 и дополнительной вторичной 4 обмотками, емкостной датчик 5 с неподвижными крайними 6 и 7 и подвижной средней 8 пластинами, коммутатор 9, блок 10 ключевых эле5 ментов, электронные ключевые элементы 11-1 - 11-К - 11-2-К, коммутатор 12, индикатор 13 фазы, генератор 14 тактовых импульсов, логический блок 15, включающий элементы ИЛИ 16-1 0 16-К, триггера 17-1 - 17-К разрядов, триггер 18 знака, элементы И 19-1 19-К, элемент И 20, элементы ИЛИ 21-1 - 21-К, элементы И 22-1 - 22-К, элемент И 23, элементы И 24-1 - 24-К,

элемент И 25, инвертор 26, регистр 27 сдвига, общую шину 28.

Основная вторичная обмотка 3 трансформатора 1 напряжения предназначена для выработки напряжения, уравновещи0 вающего напряжение на подвижной средней пластине 8 емкостного датчика 5. Она вьтолнена со средней точкой, подключенной к общей шине 28, причем верхняя и нижняя половины обмотки состоят

из согласно включенных секций, заключенных между каждыми двумя соседними отводами.

Блок 10 ключевых элементов с электронными ключевьгми элементами 11 пред0 назначен для управления числом включенных секций соответственно верхней и нижней полуобмоток OCHOBHOFI вторичной обмотки 3.

Коммутаторы 9 и 12 предназначены для подключения конца и начала основной вторичной обмотки- 3 соответственно к неподвижным крайним пластинаг 6 и 7 емкостного датчика 5 или наоборот, в зависимости от знака текущего эначенкя измеряемого перемещения . /

Индикатор 13 фазы предназначен для определения сдвига фаз напряжения на подвижной средней пластине 8 емкостного датчика 5 относительно напряжения дополнительной вторичной обмотки 4 на 180 . Генератор 14 тактовых импульсов используется для выборки частоты следования импульсов. Инвертор 26 логического блока предназначен для формирования временной задержки, необходимой для око чания переходных процессов, возникаю щих при коммутации секций основной вторичной обмотки 3 трансформатора 1 напряжения. Триггер 18 знака необходим для управления коммутаторами 9 и 12 и формирования результата измерения зн ка текущего значения измеряемого перемещения. Триггеры 17 разрядов, элементы И 19, 20 23, 24, 2.5, элементы ИЛИ 16 и 21, и регистр 27 сдвига предназначены для управления процессом формирования цифрового кода текущего значения измеряемого перемещения. Элементы И 22 служат для разрешения считывания цифрового кода резуль тата преобразования текущего значени измеряемого перемещения. Уравновешивагощее напряжениеформируется противофазной коммутацией электронных ключевых элементов 11, шунтирующих соответствующие секции верхних и нижних половин основной вторичной обмотки 3. Определение . знака перемещения при этом осуществляется в первом такте Каждого цикла . измерения подключением всей основной вторичной обмотки к неподвижным край ним пластинам 6 и 7 емкостного датчика 5 и сравнением фазы напряжения на подвижной средней пластине 8 емкостного датчика 5 с фазой напряжения на дополнительной вторичной обмотке 4. Считывание результатов преобразования осуществляется в последнем такте каждого цикла преобразования. Число секций как в верхней, так и в нижней полуобмотках основной вторичг ной обмотки 3 выбирается равным требуемому числу разрядов цифрового преобразования, а соотношение витков секций в каждой полуобмотке выбирается в зависимости от принятого мето да кодирования. Работа кодирующего преобразователя перемещения основана на преобразо вании измеряемого перемещения в напряжение на подвижной средней пластине 8 емкостного датчика 5 с дискретным уравновещиванием этого напряжения с помощью напряжения на основной вторичной обмотке трансформатора напряжения при выполнении условия постоянства суммы напряжения ее верхней и- нижней полуобмоток. Кодирующий преобразователь перемещения работает следующим образом. В исходном состоянии все триггеры 17 разрядов и триггер 18 знака устанавливаются в состояние логического О на прямых выходах и в состояние логической 1 на инверс.ных выходах, электронные ключевые элементы 11-1 - 11-К разомкнуты, а электронные ключевые элементы 11-(К+1) - 11-2К замкнуты, коммутатор 9 подключает конец основной вторичной обмотки 3 к неподвижной крайней пластине 6 емкостного датчика 5, а коммутатор 12 подключает начало основной вторичной обмотки 3 к неподвижной крайней пластине 7 емкостного датчика 5, регистр 27 сдвига устанавливается в состояние логической 1 на последнем выходе и в состояние логического О на остальных выходах. С приходом первого тактового импульса с генератора 14 тактовых импульсов в логический блок 15 на первом выходе регистра 27 сдвига появляется логическая 1, все остальные выходы имеют состояние логического О. Сигнал с первого выхода регистра 27 сдвига поступает на первые входы элементов ИЛИ 16, с .выхода которых поступает на управляющие входы электронных ключевых элементов 11-(К+1) 11-2К блока 10 ключевых элементов и размыкает их. Таким образом, к неподвижным крайним пластинам 6 и, 7 емкостного датчика 5 подключена вся . основная вторичная обмотка 3 на время действия сигнала с первого выхода регистра 27 сдвига. После окончания первого импульса с генератора 14 тактовых импульсов на выходе инвертора 26 формируется импульс, который дновременно с импульсом на первом ыходе регистра 27 сдвига подается соответственно на второй и третий входы элемента И 25, на первый вход которого подается сигнал с выхода индикатора 13 фазы. Если на выходе индикатора 13 фазы логический О, то выход элемента И 25, подключенный к первому входу триггера 18 знака, не изменяет состояния триггера 18 знака и коммутаторы 9 и 12 - в исходном состоянии. При этом на знаковом выходе преобразователя (прямом выходе триггера 18 знака) логический О, что соответствует знаку V измеряемого перемещения и указывает на то, что средняя пластина 8 емкостного датчика 5 находится вьше среднего положения. Если на выходе индикаторы 13 фазы логическая 1 (фаза напряжения на средней пластине 8 емкостного датчика 5 и фаза напряжения на дополнитель ной вторичной обмотке 4 имеют сдвиг 180 ), то на выходе элемента И 25 появляется логическая 1 и изменяет состояние триггера 18 знака на противоположное. Коммутатор 9 подключает начало основной вторичной обмотки 3 к крайней пластине 6 емкостного датчи ка 5, а коммутатор 12 подключает конец основной вторичной обмотки 3 к крайней пластине 7 емкостного датчика 5. На знаковом выходе преобразователя появляется логическая 1, что соответствует знаку - измеряемого перемещения. При этом средняя пластина 8 емкостного датчика 5 находится ниже среднего положения. На этом первый такт преобразования - определ ние знака-заканчивается и знак на вы ходе преобразователя сохраняется в течение всего цикла преобразования, С приходом второго тактового импульса с генератора 14 тактовых импульсов логическая 1 появляется на втором выходе регистра 27 сдвига (остальные выходы регистра 27 сдвига имеют состояние логического О), ко торый через элемент И 19-1 устанавливает триггер 17-1 первого разряда в состояние логической 1 на прямом выходе и в состояние логического О на инверсном выходе. Триггеры 17-2 17-К остальных разрядов остаются в исходном состоянии. При этом импульсом -логической 1 через элемент ИЛИ 16-1 разквыкается первьм электрои ный ключевой элемент- 11-(К+1) блока 10 ключевых элементов. Одновременно замыкается первый электронный клю.чевой элемент 11-1 блока 10 ключевых элементов, подключенный к инверсному выходу триггера 17-1 первого разряда. Все электронные ключевые -элеме ты 11-(К+2) - 11-2К блока 10 ключевы элементов оказьшаются в замкнутом состоянии, а все электронные ключевые элементы 11-2К - 11-К блока 10 ключевых элементов - в разомкнутом 10 8 состоянии. При этом в нижйей полуобмотке основной вторичной обмотки 3 включена только первая секция, соответствующая первому старшему разряду уравновешивающего напряжения U а в верхней полуобмотке основной вторичной обмотки 3 включены все секции, кроме первой (старшего разряда). После окончания второго тактового импульса производится сравнение напряжения УЫ с напряжением Ujr на средней пластине 8 емкостного датчика 5. Если Uu,U2 т.е. напряжения старшего разряда уравновешивающего напряжения недостаточно для уравновешивания напряз1Сения Un то на выходе индикатора 13 фазы в момент окончания второго тактового импульса устанавливается логический О и триггер 17-1 первого разряда остается в состоянии логической 1 на прямом выходе (логического О на инверсном выходе) на протяжении всего цикла преобразования. Если Uu VUrt, т.е. напряжение первого старшего разряда уравновешивающего напряжения больше требуемого значения уравновешивакмцего напряжения, то на выходе индикатора 13 фазы в момент окончания второго тактового импульса устанавливается логическая 1, которая через элемент И 24-1 и элемент ИЛИ 21-1 устанавливает триггер I7-I первого раз;ряда в состояние логического О на прямом выходе и в состояние логической 1 на инверсном выходе и через элемент ИЛИ 16-1 замыкает первый электронный ключевой элемент И-(К+1) блока 10 ключевых элементов. Одновременно первый электронный ключевой элемент 11-1 блока 10 клкгчевьос элементов размыкается. С приходом третьего тактового импульса с генератора 14 тактовых импульсов логическая 1 появляется на третьем выходе регистра 27 сдвига, - и с помощью триггера 17-2 второго разряда размыкает второй электронный ключевой элемент 11-(К-ь2) блока 10 ключевых элементов и замыкает второй электронный ключевой элемент 11-2. .При этомв нижней полуобмотке основной вторичной обмотки 3 включается вторая секция, соответствующая второму разряду уравновешивающего напряжга в верхней полуобмотке основной вторичной обмотки 3 отключается (закорачивается) вторая секция.

Поэтому с приходом третьего тактового импульса управновешивающее напряжение в нижней полуобмотке равно ,,

где а и а- - переключательные коэффициенты, которые могут принимать значения О или 1.

Коэффициент а был определен посл второго тактового импульса, причем соответствует включенному состоянию первой Секции нижней полуобмоки (триггер 17-1 первого разряда находится в состоянии логической 1 на прямом выходе), а,0 соответствуе выключенному состоянию первой секции нижней полуобмотки (триггер 17-1 первого разряда находится в состоянии логического О на прямом выходе). В момент окончания третьего тактового импульса, если a,,Ui, то на выходе индикатор 13 фазы устанавливается логический О триггер 17-2 второго разряда остается в состоянии логической 1 на прямом выходе, т.е а2 1, а если a,U(j, +ayVif V2 то на выходе индикатор 13 фазы устанавливается логическая Г и триггер 17-2 второго разряда устанавливается в состояние логического О на прямом выходе, т.е. а- становится равным нуГ1Ю.

Аналогично, с приходом каждого очередного тактового импульса состояние логической 1 на прямом выходе устанавливается в соответствующем триггере 17 разряда, а после окончания очередного тактового импульса в зависимости от состояния на выходе индикатора 13 фазы соответствующий

триггер остается в этом состоянии или переходит в инверсное состояние. При этом соответствующие коэффициенты ., , где i - номер тактового импульса в данном цикле преобразования, принимают соответственно значение 1 или О.

Таким образом, после окончания предпоследнего тактового импульса данного цикла преобразования процесс формирования уравновешивающего напряжения завершается и уравновешиваемое напряжение Uj преобразуется в цифровой код NU равный

m

NO 51 ajU j.i

где j - номер разряда; m - число разрядов.

с приходом последнего тактового импульса данного цикла преобразования на последнем выходе регистра 27 сдвига появляется логическая 1, элементы И 22 через элемент И 20 открываются и цифровой код уравновешивающего напряжения N, через элементы И 22, а также код знака с прямого выхода триггера 18 знака подаются на вы ход преобразователя. В момент окончания последнего тактового импульса на выходе инвертора 2 появляется логическая 1, которая через элемент И 23 и элементы ИЛИ 21-1 - 21-К устанавливает триггер 18 знака и все триггеры

17-1 - 17-К разрядов в исходное состояние. На этом цикл преобразования заканчивается.

Экономический эффект от использования предлагаемого кодирующего преобразователя перемещения определяется его техническими преимуществами.