Емкостной преобразователь угловых перемещений с переменным зазором Советский патент 1986 года по МПК G01B7/30 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных областях техники и промышленного производства для измерения угловых перемещений, определения стабильности задан- ных углов во времени или их вариаций под влиянием внешних факторов.

Цель изобретения - повышение точности преобразования путем исключения влияния диэлектрической проницаемости среды в межэлектродном пространстве емкостного преобразователя и исключения влияния нестабильности емкости образцового конденсатора, включенного в мостовую схему измерения и преобразования сигнала емкостного преобразователя.

На чертеже представлена принципиальная схема емкостного преобразователя угловых перемещений с переменным зазором.

Преобразователь содержит емкостный датчик угла с двумя плоскими неподвижными электродами 1 и 2, закрепленными на 20 изоляционных пластинах 3 и 4 под углом один к другому и имеющими общую ось 5 вращения, центральная линия 6 которой совмещена с линией пересечения плоскостей, являющихся продолжением активных внут15

нию намотки обмотки 20, бл обеспечивается их встречно п ное соединение. Два других п схемы измерения образованы и Сг между активными провод ностями электродов 1,11 и 2,11 но, величины которых опред ми oCi. и oCj, между этими элек

Преобразователь работае образом.

Пусть в начальном полож схема измерения находится При вращении клинообразног электрода 11, связываемого с троля (не показан), например вой стрелки, угол oCi увеличи oCj, уменьшается. Соответствен сопротивление Xci возрастает, уменьшается. По сигналу дете новесия обеспечивается ком ков, регулируемой обмотки 21 станавливается равновесие мо измерения. По количеству вкл ков обмотки 21 определяют мещение электрода 11, соотве лу oti.

Согласно теореме Гаусса

C.l

oLl

ренних поверхностей 7 и 8 электродов 1 противления X ct и Х равны и 2, и расположена на одинаковом от них расстоянии. Электроды 1 и 2 экранированы снаружи путем, например, металлизации поверхности несущих пластин 3 и 4 и формирования на них экранов 9 и 10.

шГВ- 6Г обе

30

X

гujte- n

где ш - круговая частота напряжения

питания схемы измерения; -диэлектрическая проницаемость

межэлектродной среды; В - ширина активной поверхности

электродов датчика;

гН и гЬ - расстояние до наружного и внутреннего краев активных поверхностей электрода 1 датчика. Условие равновесия мостовой схемы изМежду неподвижными электродами 1 и 2 установлен с возможностью углового перемещения относительно общей оси 5 вращения, третий электрод 11, выполненный в виде клина с двумя проводящими активными , поверхностями 12 и 13, линия пересечения продолжения плоскостей которых совмещена с центральной линией 6 этой оси. Активные поверхности 12 и 13 клинообразного подвижного электрода 11 окружены охранными электродами 14-17, соединенными с земляной 40 мерения определяется соотношением шиной, и электрически связаны между собой перемычкой 18, подключенной к входу детектора 19 равновесия мостовой схемы измерения емкостного сопротивления датчика угла.

Два плеча этой схемы образованы двумя вторичными обмотками 20 и 21 питающего трансформатора 22, первая из которых выполнена с неизменным, а вто(зая - с регулируемым числом витков. Выводы первой обмотки 20 трансформатора подключе- JJQ ны к неподвижным электродам 1 и 2 емкостного датчика угла, причем один из этих выводов подключен также и к регулируемому отводу второй вторичной обмотки 21 питающего трансформатора, к которому

(3)

45

Хс, Па г пго - п г

гдепгд-количество включенных витков регулируемой вторичной обмотки 21, питающего трансформатор 23; - общее количество витков обмотки 20 этого трансформатора. Согласно равенствам (1)-(3) измеряемый угол оС поворота определяется соотношением

, ctj-f-oti

П у .

tl20

(4)

Так как для данной конструкции oij.-f о(.г const, то угол ot-i, как это следует из раприсоединен также детектор 19 равновесия 55 венства (4), является однозначной и линей- мостовой схемы, управляюший коммутациейной функцией количества включенных витков 21 регулируемой вторичной обмотки питающего трансформатора.

витков регулируемой обмотки 21. Направление намотки обмотки 21 встречно направле

нию намотки обмотки 20, благодами чему обеспечивается их встречно последовательное соединение. Два других плеча мостовой схемы измерения образованы емкостями Ci и Сг между активными проводящими поверхностями электродов 1,11 и 2,11 соответственно, величины которых определяются углами oCi. и oCj, между этими электродами.

Преобразователь работает следующим образом.

Пусть в начальном положении мостовая схема измерения находится в равновесии. При вращении клинообразного подвижного электрода 11, связываемого с объектом контроля (не показан), например, против часовой стрелки, угол oCi увеличивается, а угол oCj, уменьшается. Соответственно емкостное сопротивление Xci возрастает, емкостное Xcj уменьшается. По сигналу детектора 19 равновесия обеспечивается коммутация витков, регулируемой обмотки 21, так что восстанавливается равновесие мостовой схемы измерения. По количеству включенных витков обмотки 21 определяют угловое перемещение электрода 11, соответствующее углу oti.

Согласно теореме Гаусса емкостные сопротивления X ct и Х равны

C.l

oLl

противления X ct и Х равны

шГВ- 6Г обе

(1) (2)

X

гujte- n

где ш - круговая частота напряжения

питания схемы измерения; -диэлектрическая проницаемость

межэлектродной среды; В - ширина активной поверхности

электродов датчика;

гН и гЬ - расстояние до наружного и внутреннего краев активных поверхностей электрода 1 датчика. Условие равновесия мостовой схемы измерения определяется соотношением

мерения определяется соотношением

(3)

Хс, Па г пго - п г

гдепгд-количество включенных витков регулируемой вторичной обмотки 21, питающего трансформатор 23; - общее количество витков обмотки 20 этого трансформатора. Согласно равенствам (1)-(3) измеряемый угол оС поворота определяется соотношением

, ctj-f-oti

П у .

tl20

(4)

Преимуществом емкостного преобразователя угловых перемещений предлагаемой конструкции является повыщенная точность измерения и независимость показаний от дестабилизирующих факторов, так как согласно приведенной функции (4) преобразования измеряемый угол зависит лишь от трех достаточно стабильных величин: чисел витков двух обмоток и заданного угла установки двух неподвижных электродов, который может быть определен с высокой точностью. При обеспечении тесной индуктивной связи между обеими вторичными обмотками питающего трансформатора, входящего в мостовую измерительную цепь, отношение их витков и снимаемых с них напряжений, выполняется с точностью до 0,001-0,002%. Ввиду этого точность и временная стабильность предлагаемого емкостного преобразователя повышается по сравнению с известными в 3-5 раз.

Формула изобретения

Емкостной преобразователь угловых перемещений с переменным зазором, содержащий емкостный датчик угла с двумя плоскими экранированными снаружи электродами, установленными под углом один к другому и имеющими общую ось вращения.

центральная линия которой совмещена с линией пересечения плоскостей, являющихся продолжением активных внутренних поверхностей электродов, и расположена на одинаковом от них расстоянии, и мостовую, схему измерения емкостного сопротивления датчика, включающую в себя питающий трансформатор с двумя вторичными об.мот- ками, первая из которых выполнена с неизменным, а вторая - с регулируемым числом

0 витков, и подключенный к выводу второй обмотки детектор равновесия мостовой схемы, отличающийся тем, что, с целью повы- щения точности преобразования, он снабжен третьим электродом, установленным с возможностью углового перемещения отно сительно общей оси вращения и выполненным в виде клина-с двумя проводящими активными поверхностями, линия пересечения продолжения плоскостей которых совмещена с центральной линией этой оси, первые

0 два электрода закреплены неподвижно и подключены к выводам первой вторичной обмотки, один из которых присоединен также к регулируемому отводу второй вторичной обмотки, выполненной с встречным направлением намотки, а обе проводящие

5 активные поверхности третьего электрода электрически соединены и подключены к входу детектора равновесия.

22

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет определять с повышенной точностью стабильность заданных углов во времени или их вариации под влиянием внешних факторов при использовании емкостного преобразователя угловых перемеш,ений с переменным зазором. Этот преобразователь содержит подвижный электрод в виде клина с двумя проводящими гранями, установленный между двумя неподвижными электродами с возможностью врашения вокруг их общей оси. Обе проводящие грани клинообразного подвижного электрода электрически соединены и подключены к входу детектора равновесия мостовой схемы измерения емкостного сопротивления преобразователя. Выход детектора подключен к подвижному контакту регулируемой вторичной обмотки питающего трансформатора, намотанной обмотке этого трансформатора, имеющей неизменное число витков и подключенной к неподвижным электродам емкостного датчика угла. При изменении углового положения подвижного электрода нарушается баланс мостовой схемы измерения, который восстанавливается по сигналу детектора равновесия путем изменения числа витков вторичной обмотки питающего трансформатора. Точность и временная стабильность емкостного преобразователя с переменным зазором обусловлены тем, что его выходной сигнал зависит лишь от трех достаточно стабильных и определяемых с высокой точностью величин: чисел витков вторичных обмоток питающего трансформатора и заданного угла установки двух йеподйижных электродов емкостного датчика угла. 1 ил. б (Л to 4 со СА;

Редактор М. Бланар Заказ 4223/40

Составитель С. Скрипник

Техред И. ВересКорректор Г. Решетник

Тираж 670Подиисное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4