Способ бесконтактного измерения перемещений Советский патент 1988 года по МПК G01B7/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения линейных и угловых перемещений в широком диапазоне на объектах управления и регулирования турбоагрегатов электростанции.

Целью изобретения является повьше- ние точности воспроизведения функцио- нальной зависимости выходного сигнала от перемещения, а также расширение диапазона измерений при помощи вихре- токовых преобразователей.

На фиг. 1 дано устройство, реали- зующее предлагаемый способ; на фиг. 2 - экспериментально полученные зависимости изменения величины индуктивности катушки вихретокового преобразователя и частоты выходного сигна- ла автогенератора соответственно для двух типов преобразователей, отлича- кщихся габаритами катушек при изменении зазора «f ; на фиг. 3 - экспериментальные и расчетные функциональные Зависимости частоты выходного сигнала автогенератора от зазора между открытым (неэкранированным) торцом катушки индуктивности и токопроводящей поверхностью; на фиг. 4 и 5 - варианты профилирования гокопроводящей поверхности по длине элемента, вносимого под открытый торец катушки индук- тивности для получения функциональной зависимости частоты выходного сигнала автогенератора от величины перемещения, прямо пропорциональной и обратно пропорциональной соответственно; на фиг. 6 - экспериментально полученная зависимость изменения частоты автогенератора при профилировании токопроводящей поверхности элемента в виде тела вращения с образующей в виде

с1

1 1 X

k Т

де А - расстояние до перемещакицейся поверхности ортогонально оси чувствительности;

1 - длина элемента;

X - текущее значение перемещения;

k - коэффициент, учитывающий

параметры катушки индуктивности;

о - расстояние от токопроводящей поверхности.

0 0 5 0

5

0

5

Устройство содержит два идентичных канала измерения, включающие катушки 1 и 2 индуктивности, автогенераторы 3 и 4 с ограничителями уровня их выходного сигнала, блоки 5 и 6 вьщеле- ния и измерения изменения частоты автогенераторов, делители 7 и 8 частоты на два, сумматор 9, блок 10 отображения информации о величине перемещения, основание 11 перемещающегося объекта, профилированные токопроводя- щие поверхности 12 и 13.

Способ реализуется следующим образом.

Однотипные катушки и 2 индуктивности, загерметизированные в электро- .магнитном экране с технологически . возможным наружным диаметром, например, при помощи термо- и агрессивно- стойкого пластификатора с наполнителем, включенные в колебательные контуры автогенераторов 3 и 4 соответственно, удаляют от поверхности объекта вдоль оси коллннеарной оси чувствительности на расстояние А, превышающее предел измерения Л данного преобразователя на величину |.,и закрепляют соосно по обе стороны основания 11, связанного с перемещающимся объ-- актом вдоль оси х в ортогональном направлении к осям чувствительности преобразователей. На основании I симметрично закрепляют однотипные элементы .|Токопроводящие поверхности 12 и 13 которых по длине 1 элементов, равной величине предела измерения или его части, профилированы, например, так, чтобы зазор между свободным от экрана торцом катушки и токопроводя- ,щей поверхностью изменялся заданным образом.

При перемещении объекта вдоль оси X изменяются зазоры сС, и f. и, следовательно, изменяется заданным образом эффективность воздействия токопроводящей поверхности на катушки 1 и 2 индуктивности. В результате этого взаимодействия изменяется соответствующим образом инд,уктивность каждой катушки на величину ЛЬ и ДЬ соответственно, что приводит к изменению частоты выходного сигнала автогенераторов 3 и 4 на величину л , и ilfj, каждая из которых выделяется и измеряется соответствующими блоками 5 и 6, после деления их частоты делителями 7 и 8 на два частоты суммируются в сумматоре 9 и результат отображается в блоке 10 отображения в виде текущего значения перемещения с учетом числа п элементов, воздействовавших на катушку индуктивности каждого.канала по пути перемещения объекта, связанного с основанием 11, Наличие двух каналов измерения с соосно и симметрично расположенными катушками I и 2 индуктивности позволяет сущеет венно снизить погрешность измерения перемещения за счет возможных перемещений основания вдоль оси у, ортогональной X. Смещение объекта вдоль оси у на величину 4у приведет к соот ветствующим изменениям зазоров df, и t/ j и они будут равны f ( , t J у) и ( ду) соответственно, fTO вызове соответствующее изменение частот автогенераторов (одинаковые по величй- не и противоположные по знаку), кото рые при суммировании компенсируются.

Экспериментально для цвух преобразователей перемещения в частоту, отличающихся размерами катушек и их электромагнитных экранов, быпи получены зависимости приращения индуктив ности - кривые 14 и 16, и уменьшения частоты автогенератора - кривые 15 и 17, при плоскопараллельном уда- лении токопроводящей поверхности от торца катушки (фиг. 2)Анализ этих зависимостей показьшает, что изменение частоты автогенератора существен но нелинейно, максимальный диапазон измерений не превьшгает 0,5-0,6 диаметра катушки. Путь расширения диапазона за счет зпвеличенил диаметра катушки неприемлем и нереален. Анализ также показьшает, что.реальное направление расширения диапазона с повьш1ением точности воспроизведения функциональной зависимости от перемещения возможно за счет растягивания изменения частоты вихретокового преобразователя путем целенаправленного воздействия на катуику токопроводящей поверхностью по известной закономерности, строго согласованного с перемещением объекта.

В результате анализа экспериментальной номинальной статической характеристики преобразования перемещения в изменение частоты выходного сигнала при плоскопараллельном пере- мещении токопроводящей поверхности для катушки с: наружным D к 12 мм,и внутренним БЭ 14 мм диаметрами экрана (фиг. 2, кривая 15) после графической интерпретации результатов измерений изменения частоты изменение частоты 4Р(сС) от величины зазора / имеет вид

/5Р(сГ) 4F е ,

(1)

при этом наиболее достоверное и вероятное значение коэффициента k, учитывающего параметры катушки индуктивности преобразователя, получено применением метода наименьших квадратов Расчетная и экспериментальнгш номинальные характеристики преобразовате ля представлены кривыми I8 и 19 (фиг. 3), Отклонения расчетной от экспериментальной номинальной характеристики преобразования при k 0,9 и .dF 650 кГц не превьш1али 5%, где ЛЕ - это диапазон изменения частоты выходного сигнала автогенератора при непосредственном касании торцом катушки индуктивности токопроводящей поверхности и при ее отсутствии.

Достаточная степень совпадения расчетной номинальной характеристики преобразователя с реальной экспериментальной дает основание нам использовать расчетную характеристику для получения, аналитической зависимости целенаправленного воздействия токопроводящей поверхности на катушку индуктивности для обеспечения пропорциональной зависимости частоты выходного сигнала автогенератора от перемещения. В частности, если необходимо известную нелинейную зависи- мость изменения частоты автогенератора в виде (1)

ЛР(сР) 4F е

-(СсО

при изменении зазора от сГ до J преобразовать в линейное изменение частоты при перемещении токопроводящей поверхности на пути 1 4 в направлении, ортогональном к оси чувствительности, в виде

dF(x)

JF

(2)

то при удалении катушки индуктивности от основания на расстояние А У и зазор между токопроводящей поверхностью и торцом катушки индуктивности должен изменяться в виде

f А

1 X

In

(3)

В случае необходимости получения линейной зависимости периода выходного сигнала автогенератора от перемещения на пути 1 частота под действием токопроводящей поверхности в направлении до.нсна изменяться в виде

ЛР(х)

. i 1, (4)

где Хр - ; m

F(cfo) , /SF(4-)

при этом зазор торцом катушки и токопроводшцей поверхностью при перемещении объекта вдоль оси х при удалении катушки от основания на расстояние должен изменяться в виде

14464496

ствию изменений физических свойств окружающей среды в условиях реальной эксплуатации из-за направленного снижения добротности катушки индуктивности колебательного контура автогенератора. При этом не контролируют изменение индуктивности катушки при перемещении токопроводящей поверхности,

10 а изменяют ее наперед заданным образом: целенаправленным воздействием на катзтпку индуктивности токопроводя- щей поверхностью путем изменения за- . данным образом эффективности ее воз15 действия на неэкранированную часть

катушки индуктивности, например уда- , лением, разворотом, изменением вели- .чины эффективной площади токопроводящей поверхности, взаимодействующей

20 с катушкой, и к:: сочетанием.

А + -IT 1п - m . k X

(5)

ностей в функциональной зависимости в виде выражений (3) и (5) представ- лень; на фиг. 4 и 5,

Для экспериментального подтгаерлздеде тела вращения дшшой 1

1 X

образующей в ввде сС R + г In -5- при

too мм с

X

Т

Формула изобретения

Способ бесконтактного измерения .перемещен1й, включающий преобразова- 25 ние параметров, вносимых токопрово- дящей поверхностью измеряемого объекта в катушку индуктивности,автогенератора, в электрический сигнал,

.отличающийся тем, чтоа

Образующие токопроводящих поверх- . повьшения точности воспроизведения функциональной зависимости выходного сигнала от перемещения и расширения диапазона измерений, уменьшают чувствительность колеба- ния реализуемости предлагаемого Реше- «онтура автогенератора с ния изготовлен из стали в ви- „г катупясой индуктивности к амплитудной

модуляции уменьшением добротности катушки индуктивности, компенсируют

„о/ч « лллр дополнительные потери в колебательном R 30 мм. Для случая , 0,25 мм с ; у увеличением мощности и кру- этим элементом экспершентально полу- тизны выходной характеристики ак- чена функциональная зависимость из- тивного элемента автогенератора, ка- менения частоты автогенератора от пе- Tjrocy индуктивности, помещенную в ремещения (фиг. 6). Эта зависимость электромагнитньй экран и герметизи- прямо пропо|щиональна с коэффициентом д рованную в нем нетокопроводящим мате- пропорциональности (преобразования) риалом, удаляют от перемещающегося Х5 кГц/мм, близким к расчетноггу, рав- объекта на расстояние, превьппающее ному 4F(J4 )/1.предел измерения вихретокового пре-

Техническим преимуществом предла- рбразователя в направлении, параллель- гаемого способа бесконтактного изме- gg ном оси чувствительности; сохраняют рения перемещений является возможность это расстояние неизменным, величину расширить предел измерения перемеще- индуктивности катушки изменяют соот- ний до наперед заданных величин и ветствующнм изменением эффективности обеспечить воспроизведение функцио- воздействия токопроводящей поверх- нальной зависимости выходного сигна- gg ности на катушку индуктивности стро- ла от перемещения с требуемой точно- го согласованно-с перемещением изме- стью и линейностью. Это возможно бла- ряемого объекта в направлении, орто- годаря снижению чувствительности вих- гональном оси чувствительности вихре- ретокового преобразователя к воздей- токового преобразователя, по получекному сигналу с постоянным уровнем ниже уровня глубины амплитудной модуляции судят о величине перемещения контролируемого объекта.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в машиностроении. Цель изобретения - повышение точности воспроизведения функциональной зависимости выходного сигнала от перемещения и расширение диапазона измерений путем уменьшения добротности колебательного контура автогенератора. н, и Однотипные катушки индуктивности 1, 2, загерметизированные в своих, зкра- нах и включенные в колебательные контуры автогенераторов 3, 4, удаляют от поверхности контролируемого объекта на расстояние А, превышающее - предел измерения Л данного преобразователя на величину сГр закрепляют их соосно по обе стороны основания 11 перемещающего вдоль оси х объекта в ортогональном направлении к осям чувствительности преобразователей. На основании 11 симметрично закрепляют профилированные токопроводящие поверхности 12, 13. При перемещении объекта вдоль оси х изменяются зазоры f к о , а следовательно, и зффектив- ность воздействия токопроводящих поверхностей 12, 13 на катушки индуктивности 1,2. Это приводит к изменению их индуктивности, что вызывает изменение частоты выходного сигнала автогенера- торов 3, 4. Частоты выходного сигнала автогенераторов 3,4 выделяют на блоках 5, 6 и после деления делителями 7, 8 суммируются в сумматоре 9, а резуль- тат отображается блоком 10. 6 ил. A, 4fr (Л 4: 4а 2 4 0

4f t/Jl

S &пн

&ww

fi/ О.г йЗ ОЛ 0,5 S.§ 0.7 О.в 0.9 //

Фие.

,пп

at аг аз ол о,5 о.б а о,8 0.9 JL

Фи.5

.

о Ю to 0 so 6ff 70 80 30 Х.мп

Фие.6