Многоканальное измерительное устройство для дифференциальных индуктивных датчиков Советский патент 1989 года по МПК G01D5/22 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля различных физических величин с помощью дифференциальных индуктивных датчиков.

Цель изобретения - повьшение быстродействия устройства за счет форсирования тока дифференциальных датчиков и повьшение точности измерений за счет устранения влияния остаточных напряжений и обеспечения идентичных условий измерений для всех дифференциальных индуктивных датчиков .

На фиг, 1 схематически показано устройство; на фиг. 2 - временные диаграммы работы устройства.

Устройство (фиг, 1) содержит генератор 1 импульсов, второй элемент 2 задержки, цифроаналоговый преобразователь 3, счетчик 4, интегратор 5, инвертор 6, сумматор 7, первый 8, и второй 9 преобразователи напряжение - ток, первый 10 и второй 11 от- ражатели тока, первый 12, четвертый 13,.третий 14 и пятый 15 коммутаторы дифференциальные индуктивные датчики 16.1-16.N, второй 17 и шестой 18 коммутаторы, дифференциальный усилитель

19,аналого-цифровой преобразователь

20,первый элемент 21 задержки, регистратор 22.

На фиг. 2 обозначено выходное напряжение 23 генератора 1, выходное напряжение 24 элемента 2 задержки, выходной ток 25 ЦАП 3, выходные токи 26 и 27 преобразователя 9 и отражателя 10 соответственно, выходное напряжение 28 дифференциального усили- теля 19,

Первый коммутатор 12 соединен выходами с первыми входами соответствующих дифференциальных индуктивных датчиков 16.1-16.N. Второй коммута- тор 17 соединен вьгходом с первым входом дифференциального усилителя 19, соединенного выходом с сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя 20, соединенного выходом со входом регистратора 22, а управляющим входом с выходом первого элемента 21 задержки. Счетчик 4 соединен выходами с управляющими входами первого коммутатора 12. Выход генератора 1 импульсов соединен непосредственно с первым входом интегратора 5, а через второй элемент 2 задержки - с первыми входами цифроаналогового

Q

5

5

0 5 0

д

преобразователя 3, со входом первого элемента 21 задержки и со входом счетчика 4, соединенного выходами с первыми входами сумматора 7 и с управляющими входами третьего коммутатора 14, соединенного сигнальным входом с первым выходом первого отражателя 10 тока, соединенного вторым выходом с сигнальным входом первого коммутатора 12, входом через первый преобразователь 8 напряжение - ток с выходом интегратора 5, соединенного вторым входом с выходом цифроаналогового преобразователя 3, а выходом через последовательно соединенные инвертор 6 и второй преобразователь 9 напряжение - ток - со входом второго отражателя J1 тока, соединенного первым и вторым выходами соответственно с сигнальными входами четвертого 13 и пятого J5 коммутаторов, управляющие входы которых соединены с выходами сумматора 7 и с управляющими входами второго 17 и шестого 18 коммутаторов. Сигнальные входы второго коммутатора 17 соединены с соответствующими выходами первого 12 и четвертого 13 коммутаторов. Сигнальные входы шестого коммутатора 18 соединены с соответствующими выходами третьего 14 и пятого 15 коммутаторов и вторыми входами соответствующих дифференциальных индуктивных датчиков 16.1-16.N, а выход - со вторым входом дифференциального усилителя 19. Третий вход каждого из дифференциальных индуктивных датчиков 16,1-16.N соединен с общей щиной устройства и со вторым входом сумматора 7, соединенного третьим входом со входом для задания единичного сигнала устройства и со вторыми входами цифроаналогового преобразователя 3.

Генератор 1 импульсов предназначен для генерирования импульсов, длительность которых равна начальному участку импульса- питающего тока быстрая пила (участок АБ, позиция 26

фиг. 2).

г , Элемент 2 задержки предназначен дпя задержки импульсов с выхода генератора 1 импульсов на время, необходимое для обнуления интегратора 5 и равное длительности импульсов генератора 1 ,

Цифроаналоговый преобразователь 3 предназначен для преобразования за держанных импульсов в двухуровневый токовый сигнал (позицня 25,фиг, 2),

Счетчик 4 служит для управления коммутаторами 12 и 14, поочередно подключающими датчики 16.1-16.N к запитьшающим и измерительным цепям устройства.

Интегратор 5 предназначен для преобразования двухуровневого тока с выхода цифроаналог ового преобразователя 3 в линейно возрастающее напряжение, причем первому уровню тока ЦАП (йа входе все 1) соответствует участок АВ - быстрая пила, а второму уровню тока (на первой группе входов - О, а ток ВС - медленная пила 26, фиг. 2).

Инвертор 6 предназначен для инвертирования напряжения с выхода интегратора 6.

Сумматор 7 предназначен для увеличения на единицу управляющего кода для коммутаторов 13, 15, 17 и 18 по сравненюо с остальными коммухаторамй. Преобразователи 8 и 9 напряжение-i ток предназначены для преобразования напряжений с выходов интегратора 5 и инвертора 6 в токи, причем эти два тока имеют разное направление и совпадают по амплитуде и по форме.

Отражатели 10 и И тока предназначены для передачи входного тока одно10

Лналого-цифровой преобрааоватепь 20 предназначен лля преобразования напряжения с выхода дифференциального усилителя 19 в цифровой код.

Элемент 21 задержки предназначен для задержки импульсов управления АЦП 20 на время, необходимое для компенсации задержки передачи сигнала от выхода первого элемента 2 задержки до входа АЦП 20, при этом при поступлении на управляющий вход АЦП 20 1 происходит очистка его выходного регистра и подготовка к сле- 15 дующему такту преобразования (режим

Гашение), а при поступлении О

второй - 1) - учас- обеспечивается режим Преобразова- (позиция ние.

Регистратор 22 предназначен для 20 приема цифровой информации о состоянии датчика и преобразования ее в удобную для восприятия форму. Он также может выполнять функции индициро- вания и накопления поступа ющей инфор- 25 мации.

Устройство работает следуюошм образом.

Счетчике 4 подсчитьгоает импульсы, поступающие с генератора 1 импульсов на его счетный вход через элемент 2 задержки. Цифровой код с выхода C4et- чика 4 управляет работой коммутаторов 12 и 14, которые обеспечивают подключение к первому и второму выходам от30

временно в две нагрузки, которыми яв- ,, ражателя 10 тока вьшодов одного из ляются обмотки датчика, выбранного датчиков 16.1. На выходе сумматора 7

коммутаторами 12, 14 или 15, причем с выходов отражателя 11 тока поступают размагничивающие импульсы тока, а с отражателя тока 10 - запитываю- щие.

Коммутаторы 12 и 14 предназначены для подключения двух обмоток одного из датчиков 16.1 к источнику размагничивающего тока.

Коммутаторы 13 и 15 поедназначены для подключения двух обмоток одного из датчиков 16.1 к источнику запиты- вающего тока.

Коммутаторы 17 и 18 предназначены дЛя подключения измерительной цепи устройства к одному из датчиков.

Дифференциальный усилитель 19 предназначен для усиления разности напряжений, снимаемых с обмотск выбранного датчика 16.1, которая пропорциональна измеряемой физической величине .

10

15

30

цифровой код превосходит код на выходе счетчика 4 на единицу, поэтому коммутаторы 13, 15, 17 и 18, которые управляются цифровым кодом с выхода сумматора 7, обеспечивают подключение выводов датчика 16.(1-1)-го к выходам отражателя I1 тока и входам дифференциального усилителя 19. Опрос всех

датчиков I6.1-16.N ведется последовательно с 1-го по N-й и затем многократно повторяется, что необходимо при длительных испытаниях, при этом для обеспечения требуемой точности .

при повторных обращениях необходимо исключить остаточное напряжение на обмотках датчиков 16.1-16,N за счет их неполного размагничивания. Датчики 16,1-16.N запитьгааются импульсами

тока специальной формы, имеющими два участка АВ (быстрая пила) и ВС - медленная пила (позиция 26, фиг. 2).

При этом обеспечивается выигрыш по быстродействию по сравнению с запиткой датчиков обычными пилообразными импульсами тока (как в устройстве - прототипе за счет форсированного установления постоянного напря-. жения на выходе дифференциального усилителя 19. При запитьшании датчиков пилообразным током напряжения на обмотках L1 и L2 равны соответственно:

и,1, +U,,L,

di,

т d(A,t) dt .-L, где L, и L - индуктивности обмоток

+A,г, ,А,+А,г,t ;

,.,L,-A -t-Aj.rj.t

1

датчика;

r, r -активные сопротивления

обмоток датчика;

i(t)At - для пилообразного тока Так как отражатели 10 и II на вых дах имеют одинаковые токи, то При идентичности обмоток датчика г,. Так как

L, ,

то

U (L+iL)A+A.r.t iL A+A(L-frt),

1 -ЛЬ-А+А(Ь+Г1).

Напряжение на выходе дифференциалного усилителя 19 имеет вид

l ebi K(U,-Ui) A+A(L+rt)+&LA- -A(L+rt) А,

где К - коэффициент усиления дифференциального усилителя , 19 (ДУ);

А - крутизна пилообразного тока

.(tg угла наклона),

т. е .напряжение на выходе ДУ 19 определет собой скачок постоянного напряжения пропорциональный L. Однако реальный дифференциальный усилитель 19 имеет ограниченную полосу пропускания и его АЧХ имеет спад в области верх- ни5{ частот - 6 дб (октаву, что соответствует фильтру низких частот с параметрами КЭ.СЭ. Следовательно, выходное напряжение дифференциального усилителя 19 для реального

случая

II Г )

СГ /

где -) Тг Сз - эквивалентные параметры дифференционно усилителя 19;

iJucT установившееся значение напряжения на вы- ходе ДУ 19.

Из этого выражения следует, что выходное напряжение имеет второе

слагаемое, определяющее погрештос-; ь измерения за счет переходных процессов, величина которого убывает с ростом с.

Относительная погрешность измерения при этом равна

. Bb,t)-U,c. .100%. .,00.

-вых

Й9С

Отсюда следует, что для о 1% 4, 16 R,C,, т.е. преобразование АЦП может быть начато спустя tucr после подачи питающего тока на ,

чик, которое весьма велико для реальных измерительных усилителей.

Рассмотрим случай запитываиия датчиков 16.1-16.N импульсами тока сложной формы (позиция 26, фиг. 2),.имеющих 3 участка АВ - быстрая пила, ВС - медленная пила и СД - разряд (обнуление интегратора) . На участке АВ за счет быстронарастающего происходит форсированное установление напряжения на выходе дифференциального усилителя 19, на участке ВС происходит преобразование напряжения в цифровой код АЦП 20 так как в это время напряжение на выходе ДУ 19 не изменяется и равно:

Ug, 2К- bL A

Г

где А - крутизна тока на участке ВС.

Определим время установления вы- ,ходного напряжения (интервал ,).

A,-2AL K(l-e )A -2KUL,

(при )

где А, - крутизна тока на участке АВ. Откуда

А,(-е

fc. ,

)А

г

тогда

причем так как А

li-K -

где С - емкость интегратора 5;

К

Р

I, - коэффициент преобразования преобразователя 9 напряжение- ток;

ток ЦАПЗ при поступлении на

II1 II .

первую группу входов i , I - ток ЦАПЗ при поступлении на первую группу входов О,

R .С,

I.

-;

у-:1.,ражения видно, что при С и уже при I 0,51,

t, « О, 7 1 jC;,, что дает пятикратный выигрыш n;j времени установления по срлвненио с, прототипом.

Формирование импульсов тока питания ;iT чико з осуществляется с помощью ЦЛПЗ, лн егратора 5, инвертора 6, преобразователя 9 напряжение-ток и втмуого отражателя П тока,

Длительность импульсов, вырабаты- BafMbix генератором 1 импульсов, ус- танавливаетс я равной о t, , где t, - длительность участка АВ (позиция 26, фиг. 2), а период следования

.-t-tp, где , - время установления (учас-

ток АВ);

t PC время преобразования (учас- ток НС);

to - время- разряда (участок СД).

I

Определив исходя из требуемого быстрсдЕйстзия и возможностей элементов устрсйстиа величину t. можно определить ис. гичину тока

Ь I

,; (1-е ),

где L , - выходной ток ЦАПЗ для участка АВ;

Т - выходкой ток иДПЗ для участка ВС ,Т -к как ток САП 3 прямо пропордио- кален ву :;;;ному коду, можно определить, какие вхоцы 3 подсоединяются к элемента 2 задержки.Если

току

соответствует максимальный

входиоГ код 11АП N (все единицы) то Т соответств ет входной кодМ:

(i-e )

Все кулевые разряды кода М объг диня птс я : первую группу и под- слючаютс | к вь1;.А1ду nopBoi o элемента 2 задержки, а ьсе е;,иничные разряды КОЦ9 f о оъеции ячггси но яторую группу м ,и::: -o -ixK; I с ;л , тогда ток H i ;; bixoi.i i x T;i (-iMier вид прямоуголь Hbi:- i lnv.n j- В (,;1я 25, фиг. 2). Нт К,,. ли, и fprpciTnpa 5 напряже- гше ю фс рме соичадает с Т оком питания п;:тч:..;оа и ,чиее-Т отрицательную лоля;.- г;п;, р;.). ,jр, ин1егратор 5 ин- Beprupvfc - гш нал, поэтому для обратного Hitecp-, л.жа чИ сигн.чпа пуименя- eTL n инве; /1 ,ip 6. . Напряжение на выходе иннергор-а - имеет г,

5

0

0

5

0

5

Г

I...

- уч,1сток .t +

U

-t - участок ВС

Ь.

С С

где С - емкость интегратора.

Преобразователь 9 напряжение-ток и отражатель 11 тока служит для подачи в обе обмотки выбранного датчика одинаковых импульсов тока.

По окончании преобразования на-- пряжения с выхода дифферендиального усилителя 19 в цифровой код с помощью АЦП 20, а также регистрации выходного кода регистратором 22 на обнуляющий вход интегратора 5 поступает импульс с выхода генератора 1 импульсов (позиция 26, фиг. 2 точка CJ. При этом конденсатор интегратора разряжается и напряжение на его выходе убывает до нуля (участок СД), Также до нуля убывает ток питания датчика и напряжения на его обмотках. При многократных опросах датчиков за счет неполного размагничивания возможно накопление ошибки, что ведет к снижению точности, поэтому в данном устройстве применено принудительное размагничивание датчиков, причем ток размагничивания совпадает по амплитуде и по форме с IOKOM питания (намагничивающим) и противоположен ему по направлению (позиция 27, фиг. 2),

При этом полностью устраняется накопление ошибки при длительной работе устройства. Размагничивание датчиков осуществляется с помощью преобразователя 8 напряжение - ток и отражателя 10 тока, а также коммутаторов 12 и 14, управляющий код которых на единицу меньше, чем управляющий код остальных коммутаторов устройства. По окончании обнуления интегратора 5 (точка Д) в такте измерения i-ro канала, в течение которого (участок АВ) к запитывающим и измерительным цепям устройства с помощью коммутаторов 13, 15, 17 и 18 был подключен датчик 16.1, происходит переключение всех коммутаторов, причем к измерительным и загтитьшающим цепям подключается датчик с номером 6.(i+ +1), а датчик 16.1 подключается с помощью коммутаторов 12 и 14 к размагничивающей цепи. В любой момент времени происходит размагничивание датчика, сигнал с которого измерялся в предыдущем такте измерения, и при возвращении к этому датчику в следующем цикле опроса pejyni.itir ипмеренил не будет искажен за счет остаточного напряжения на обмотках датчтса.

Таким образом, в данном устройств по сравнению с прототипом увеличено быстродействие за счет использования форсированного установления напряжения на выходе дифференциального усилителя 19 (в практической реализации устройства достигнуто снижение времени установления в 4,6 раза и снижени всего времени измерения канала в 2- 3 раза) и повышена точность за счет устранения влияния остаточных напряжений на обмотках при многократных опросах датчиков и идентичности измерительных каналов, так как все датчики имеют общий дифференциальный усилитель 19, преобразующий сигналы на обмотках датчиков в выходное напряжение.

Формула изобретения

Многоканальное измерительное устройство для дифференциальных индуктивных датчиков, с .-:ржащее первый коммутатор, соединенный выходами с первыми входами соответствующих дифференциальных индуктивных датчиков, второй коммутатор, соединенный вько- дом с первым входом дифференциального уси-пителя, соединенного вькодом с сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя, соединенного выходом с входом регистратора, а управляющим входом - с выходом первого элемента задержки, генератор импульсов, цифро- аналоговый преобразователь, счетчик, соединенный выходами с управляющими входами первого коммутатора, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия устройства и точности измерения, в него введены второй элемент задержки, интегратор,, инвертор, первый и второй преобразователи напряжение - ток.

0

сумматор, первый и второй отражя-тепи тока, третий-шестой коммута пры, ;.и- чем выход генератора импульсоа спедц- нен непосредственно с обнуляющим входом интегратора, а через второй элемент задержки - с информационными входами цифроаналогового преобразователя, со входами перв(5го элемента задержки и счетчика, соединенного выходами с первыми входами сумматора и с управляющими входами третьего коммутатора, соединенног о сигнальным входом с первым выходом первого от- 5 ражателя тока, соединенного вторым выходом с сигнальный входом первого коммутатора, входом через-первый преобразователь напряжение - ток - с выходом интегратора, соединенного первым входом с выходом цифроаналогового преобразователя, а выходом через последовательно соединенные инвертор И второй преобразователь напряжение - ток - с входом второго отражателя тока, соединенного первым и вторым выходами соответственно с сигнальными входами четвертого и пятого коммутаторов, управляющие входы которьк соединены с выходами сумматора и с управляющими входами второго и шестого коммутаторов, сиг нальные входы второго коммутатора соединены с соответствующими выходами первого и четвертого коммутаторов, сигнальные входы шестого коммупатора - с соответствующими выходами третьего и пятого коммутаторов и с вторыми входами соответствующих диффер нциаль- ных индуктивных датчиком, а выход - с вторым входом дифференциального усилителя, третий вход каждого из дифференциальных индуктивных датчиков соединен с общей шиной устройства и с вторым входом сумматора, соединенного третьим входом с входом для задания единичного сигнала устройства и с управляющими входами ниф- роаналогового преобрпяователя,

5

0

5

0

5

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля различных физических величин с помощью дифференциальных индуктивных датчиков (ДНД). Цель изобретения - повышение быстродействия многоканального измерительного устройства за счет форсирования тока ДНД и повышение точности измерений за счет устранения влияния остаточных напряжений и обеспечения идентичных условий измерения для всех ДНД. Многоканальное измерительное устройство содержит генератор 1 импульсов, элемент 21 задержки, цифроаналоговый преобразователь 3, счетчик 4, коммутаторы 12, 17, дифференциальные индуктивные датчики 16.1-16.N, дифференциальный усилитель 19, аналого-цифровой преобразователь 20, регистратор 22. За счет введения элемента 2 задержки, интегратора 5, инвертора 6, сумматора 7, преобразователей 8, 9 напряжение - ток, отражателей 10, 11 тока, коммутаторов 13-15, 18 устройство обеспечивает форсирование пилообразного тока через ДНД 16.1-16.N, что сокращает время установления напряжения на выходе дифференциального усилителя 19 и, следовательно, повышает быстродействие измерения и исключает влияние остаточных напряжений в ДНД 16.1-16N путем их размагничивания, а также обеспечивается измерение их параметров единым измерительным каналом, что повышает точность измерений. 2 ил.