Электромагнитное устройство для измерения перемещений Советский патент 1989 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения осевого положения ротора, разности тепловых расширений ротора и статора, абсолютных удлинений корпуса турбин электростанций, определения пространственного положения управляющих элементов, в системах очувствления роботов во всех отраслях машиностроения

Цель изобретения - повышение точности, которая достигается за счет цифровой обработки сигналов вихретокового преобразователя.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства измерения перемещений; на фиг. 2 - устройство обнаружения границы периода; на фиг. 3 - устройство подсчета числа периодов; на фиг. 4 - вихретоковый преобразователь; на фиг. 5 - зависимость амплитуд ЭДС измерительных обмоток от положения объекта контроля.

Устройство содержит генератор 1 высокой частоты, вихретоковый преобразователь 2, возбуждающая обмотка 3 которого подключена к генератору 1 высокой частоты, первая измерительная обмотка 4 подключена к последовательно включенным детектору 5 и первому аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 6, а вторая измерительная обмотка 7 - к последовательно включенным детектору 8 и второму аналого- цифровому преобразователю (АЦП) 9, блок 10 обработки сигналов аналого-цифровых преобразователей 6 и 9, который выполнен в виде последовательно включенных постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 11 и блока 12 обнаружения границы периода, а также блока 13 подсчета числа периодов, первый вход которого подключен к выходу старшего разряда постоянного запоминающего устройства 11, а второй вход соединен с выходом блока 12 обнаружения границы периода, причем выходы ПЗУ 11 и блока 13 подсчета числа периодов составляют выход блока 10 обработки сигналов, который подключен к индикатору 14, а входы постоянного запоминающего устройства 11 являются входами блока 10 обработки сигналов и подключены к выходам аналого-цифровых преобразователей 6 и 9.

Блок 12 обнаружения границы периода содержит компараторы 15 и 16, первые входы которых соединены между собой и являются входом блока 12 обнаружения границы периода, источники кодов 17 и 18, представляющие собой набор переключателей и подключенные к вторым входам соответствующих компараторов 15 и 16, а также логического элемента 2ИЛИ 19, входы которого подключены к выходам компараторов 15 и 16, а выход является выходом блока 12 обнаружения границы периода.

0

Блок 13 подсчета числа периодов содержит два RC-фильтра 20 и 21 верхних частот, RC-фильтр 22 нижних частот, инвертор 23, вход которого соединен с вхо- дами RC-фильтров 20 и 22 и является первым входом блока подсчета числа периодов, а выход подключен к входу RC-фильтра 21 верхних частот, логический элемент 2ИЛИ 24, входы которого подклю- . чены к выходам RC-фильтров 20 и 21 верхних частот, кнопку «Сброс 25, а также счетчик 26, первый вход которого является вторым входом блока 13 подсчета числа периодов, второй и третий входы подключены соответственно к выходам логического элемента 2ИЛИ 24 и RC-фильтра 22 нижних частот, четвертый вход соединен с кнопкой «Сброс 25, а выход является выходом блока 13 подсчета числа периодов.

Вихретоковый преобразователь 2 содержит основание 27 и охватывающую его прямоугольную возбуждающую обмотку 3, а измерительные обмотки 4 и 7 лежат в пазах торцовой поверхности основания, параллельной плоскости возбуждающей обмотки, причем пазы выполнены в виде периоди- 5 ческой треугольной функции с периодом Т и сдвинуты друг относительно друга на четверть периода этой функции.

Устройство работает следующим образом. Напряжение колебаний генератора 1 высокой частоты поступает на возбуждаю- 0 щую обмотку 3 вихретокового преобразователя 2. В измерительных обмотках 4 и 7 возникает ЭДС, амплитуда которой зависит как от напряжения и частоты колебаний генератора 1 высокой частоты, так и от электрофизических свойств, геометрических 5 размеров объекта контроля, зазора между объектом контроля и преобразователем и периодически изменяется при перемещении объекта контроля, ширина которого меньше длины преобразователя, параллельно торцо- Q вой поверхности преобразователя с периодом, равным периоду треугольной функции обмоток. Амплитуда ЭДС измерительных обмоток такой конфигурации может быть приближенно представлена

U 4 A- sinX, 5 sin (X+T/4)A- cos X,

где X-координата объекта контроля;

А - коэффициент, зависящий от электрофизических свойств материала, размеров объекта контроля и зазора между объек- 0том и преобразователем, а также от частоты и напряжения колебаний генератора; Т - период треугольной функции

измерительных обмоток; U4, LJ7 - амплитуды ЭДС измерительных 5обмоток 4 и 7.

ЭДС обмоток поступает на детекторы 5 и 8 с выходов которых выпрямленное и усиленное напряжение поступает на АЦП 6 и 9.

С выходов АЦП цифровой код поступает на адресные входы ПЗУ 11 блока 10 обработки сигналов АЦП. В ПЗУ 11 занесена таблица в соответствии с формулой

(n-Q,+nQ2+ arctgH,/H2),

где S- двоичное число на выходе

ПЗУ 11; HI, H2 - двоичные числа на выходе АЦП

соответственно 6 и 9; К - коэффициент преобразования; А 1, если Н, Ч| 10, если Н, г, . Л, если 10, если

Таким образом, на выходе ПЗУ 11 формируется число, определяющее положение объекта контроля на каком-либо из периодов функции обмоток, при этом для крайнего левого положения объекта на перио- де имеем число ...О, а для крайнего правого S 11...1. Старший разряд числа S совпадает с величиной Q2 и изменяет свое значение при переходе Н, через ноль. Так как

arctg (H,/H2) arctg

arctg (tgX)X, то величина S зависит только от перемещения X и не зависит от факторов, влияющих на величину коэффициента А.

С выхода ПЗУ 1 1 двоичное число поступает на вход блока 12 обнаружения границы периода.

Источники кода 17 и 18 задают двоичные Коды PI и Р2 соответственно, причем код PI равен числу S на выходе ПЗУ 11 при расположении объекта контроля на четверть периода слева от границы перио- да, а Р2 числу S на выходе ПЗУ 11 при расположении объекта контроля на четверть периода справа от границы периода. Компараторы 15 и 16 сравнивают поступающее с выхода ПЗУ 11 число S с установленными числами Р и Р2 и на выходе компаратора 15 появляется логическая «1, если , а на выходе компаратора 16, если . В результате на выходе блока 12 обнаружения границы периода появляется уровень «1, если или .

При поступлении сигнала с выхода блока 12 обнаружения границы периода на первый вход счетчика 26 последний переходит из режима хранения содержащегося в нем числа в режим счета. При изменении старшего разряда на выходе ПЗУ 11, что происходит при переходе HI (а следовательно, и Щ) через ноль, на выходе одного из RS-фильтров 20 и 21 будет возникать положительный импульс, а на выходе другого - отрицательный. Поступая на входы логического элемента ИЛИ 24, эти импульсы будут формировать счетный импульс на его выходе, который

0

5

5 0

5

0

0

5 .с

0 5

поступит на второй (счетный) вход счетчика 26 и изменит его состояние, если на первом входе счетчика 26 присутствует сигнал, разрешающий счет. Направление счета будет определяться состоянием на третьем входе счетчика 26, соединенным с выходом RC-фильтра 22.

Изменение логического состояния на выходе RC-фильтра 22 будет задержано относительно изменения состояния на входе его на время т, определяемое параметрами RC-фильтра 22, которые должны быть подобраны так, чтобы время задержки т было больше времени формирования счетного импульса и срабатывания счетчика 26. Таким образом, логическое состояние на выходе RC-фильтра 22, а следовательно, и направление счета будут определяться состоянием на входе RC-фильтра 22 в момент, непосредственно предшествующий моменту смены сигнала на его входе.

При приближении объекта контроля к границе периода ближе, чем на четверть периода, блок 12 обнаружения границы периода формирует сигнал, переводящий блок 13 подсчета числа периодов в режим счета.

При переходе объектом контроля границы периода изменяется старший разряд на выходе ПЗУ 11 «1 изменяется на «О при переходе границы слева направо и «О изменяется на «1 при переходе границы справа налево, что повлечет за собой изменение на единицу числа, находящегося в счетчике 26, причем направление счета будет определяться предшествующим состоянием старшего разряда на выходе ПЗУ 11. Таким образом, в счетчике 26 будет находиться число, являющееся номером периода, на котором в данный момент времени находится объект контроля. При включении устройства объект контроля располагается на нулевом периоде обмоток и нажимается кнопка «Сброс 25. При этом, сбрасывается счетчик 26 и ка выходе блока 13 подсчета числа периодов- устанавливается ноль во всех разрядах.

Выходы ПЗУ 1 1 и блока 13 подсчета числа периодов совместно составляют выход блока 10 обработки сигналов, причем выходы ПЗУ 11 являются младшими разрядами, а выходы блока 13 подсчета числа периодов - старшими. В результате на индикатор 14 поступает двоичное число, характеризующее положение объекта контроля на всем диапазоне измерения, разрядность которого равна сумме разрядностей выходов ПЗУ 11 и блока 13 подсчета числа периодов.

Поскольку обработка сигналов производится в цифровом виде, в предлагаемом устройстве отсутствуют погрешности, присущие аналоговым вычислительным устройствам.

Абсолютная погрешность предлагаемого устройства на любом диапазоне измерения

равна абсолютной погрешности на одном периоде обмоток и определяется главным образом качеством изготовления преобразователя, причем абсолютная погрешность будет тем меньше, чем меньше период тре- угольной функции обмоток.

Таким образом, наличие в предлагаемом устройстве вихретокового преобразователя 2 с двумя измерительными обмотками 4 и 7 специальной конфигурации, двух аналого- цифровых преобразователей 6 и 9, ПЗУ 11, блока 12 обнаружения границы периода и блока 13 подсчета числа периодов поз- воляет повысить точность измерения при фиксированном диапазоне перемещения и су- щественно увеличи гь диапазон измерения без увеличения абсолютной погрешности измерения перемещений.

Формула изобретения

I. Электромагнитное устройство для измерения перемещений, содержащее генератор высокой частоты, вихретоковый преобразователь, подключенный к генератору высокой частоты, два детектора, один из которых подключен к измерительной обмотке вихретокового преобразователя, и индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены два аналого-цифровых преобразователя, блок обработки сигналов аналоге-

5

Q 5

0

5 0

цифровых преобразователей, вихретоковый преобразователь снабжен второй измерительной обмоткой, подключенной к входу второго детектора, входы аналого-цифровых преобразователей соединены с выходами соответствующих детекторов, блок обработки сигналов аналого-цифровых преобразователей включен между их выходами и индикатором.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок обработки сигналов аналого- цифровых преобразователей выполнен в виде последовательно соединенных постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и блока обнаружения границ периода, блока подсчета числа периодов, первый вход которого подключен к выходу старшего разряда ПЗУ, второй вход соединен с выходом блока обнаружения границ периода, выходы ПЗУ и блока подсчета числа периодов составляют выход блока обработки сигналов аналого- цифровых преобразователей, входами которого являются входы ПЗУ.

3.Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что вихретоковый преобразователь выполнен в виде основания с пазами на торцовой поверхности основания, параллельного плоскости возбуждающей обмотки, охватывающей основание, пазы выполнены в виде периодической функции и сдвинуты один относительно другого на четверть периода этой функции, а измерительные обмотки лежат в пазах.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения осевого положения ротора, разности тепловых расширений ротора и статора, абсолютных удлинений корпуса турбин электростанций, определения пространственного положения управляющих элементов, в системах очувствления роботов во всех отраслях машиностроения. Целью изобретения является повышение точности устройства для измерения перемещений, которая достигается за счет цифровой обработки сигналов вихретокового преобразователя. Напряжение колебаний генератора 1 высокой частоты поступает на возбуждающую обмотку 3 вихретокового преобразователя 2, в измерительных обмотках 4 и 7 которого возникает ЭДС, зависящая от электрофизических свойств объекта контроля, его геометрических размеров, зазора между объектом контроля и преобразователем 2. ЭДС обмоток поступает на детекторы 5 и 8, с выходов которых выпрямленное и усиленное напряжение поступает на АЦП 6 и 9, откуда подается на адресные входы ПЗУ 11 блока 10 обработки сигналов АЦП 6 и 9. На выходе ПЗУ формируется число, определяющее положение объекта контроля на каком-либо из периодов функции обмоток токовихревого преобразователя 2. При переходе объектом контроля границы периода изменяется старший разряд ПЗУ 11, что влечет за собой изменение на единицу числа, находящегося в счетчике и являющегося номером периода, на котором в данный момент находится объект контроля. 2 з.п. ф-лы. 5 ил.

Фиг. 2

фиг. 3

фиг. Ч

Ut,U7

Граница периода

о-ой i-ый период период

(к+1)

Рабочий диапазон преобразователя

Фиг.5

Т

К-ыи период