Преобразователь перемещений в код Советский патент 1990 года по МПК H03M1/30 

Изобретение относится к аналого- цифровым элементам системы автоматики.

Целью изобретения является повышение точности преобразователя и достоверности определения границ диапазона преобразования.

На фиг. 1 показаны элементы датчика и функциональная схема преобразователя перемещений в код; на фиг. 2 и

3 - графики зависимостей выходных напряжений блока детектирования от перемещений соответственно при отсутствии и наличии люфта контролируемого объекта; на фиг. 4 - зависимости, построенные в относительных единицах, выходных напряжений двух детекторов, используемых для формирования информации о текущих значениях контролиру-- емой координаты; на фиг. 5 - графики

функций, обратных показанным на фиг, 4j на фиг. 6 - функциональные схемы гервого и второго функциональных преобразователей.

.

Преобразователь содержит трансформаторный датчик 1, источник 2 переменного напряжения, блок 3 детектирования, функциональные преобразователи 4 и 5, блок 6 компараторов, ком- мутатор 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, источник 9 опорного напряжения. Трансформаторный датчик 1 выполнен в виде подвижного ферромагнитного элемента 10, Ш-образ- ного магнитопровода 11 с зубцами (не показаны) на крайних стержнях, обмоток 12 возбуждения и обмоток 13-16 считывания.

Блок 3 детектирования содержит де- текторы 17-20 амплитуды. Блок б компараторов выполнен в виде компараторов 21 и 22. Выходная шина 23 компаратора 21 и выходная шина 24 компаратора 22 являются соответственно пер- вым и вторым контрольными выходами преобразователя. Коммутатор 7 выполнен в виде переключателя 25 и элемента ИЛИ 26. Выходы 27 АЦП 8 являются информационными выходами преобразователя. .

Функциональный преобразователь 4 содержит блоки 28-33 вычислений, сумматоры 34-36, функциональный преобразователь 5 - аналоговый блок 37 умножения, сумматоры 38 и 39 и аналоговый блок 40 деления.

Преобразователь работает следующим образом.

Количество витков первой и второй секций обмотки 12 одинаково, так что переменный ток от источника 2 создает в каждой секции равные одна другой намагничивающие силы.

Обозначим координату центра (середины) подвижного элемента 10, отсчитываемую вдоль оси х контролируемых перемещений, через х, шаг нанесения зубцов магнитопровода 11 через , нерабочие поперечные смещения подвижного элемента 10 вдоль оси у (люфт) через Su ; уровни переменных напряжений на обмотках 13-16 через , уровни выходных напряжений детекторов I7-20 через Un-U4e , а их совокупность Г ип,... ,иго через U (фиг. 2 и 3) .

Рассмотрим получение выходной информации блока 3, а также контрольный

ц

Q r

Q 5

50 5

0

45

информации о наличии или отсутствии подвижного элемента 10 в диапазоне преобразования для случая, когда поперечные смещения подвижного элемента 10 отсутствуют (Su 0). В этом случае отсчитываемые вдоль оси у зазоры В6 и ом образуемые соответственно верхней кромкой подвижного элемента 10 (фиг. 1) с торцами зубцов верхней ветви магнитопровода 11, а также нижней кромкой подвижного элемента 1 0 с торцами зубцов нижней ветви магнитопровода 11, равны один другому по величине и имеют номинальное значение й0 .

Приближение подвижного элемента 10 к любому зубцу магнитопровода 11 характеризуется увеличением степени заполнения ферромагнитным материалом подвижного элемента зоны между торцом данного зубца (независимо от того, принадлежит он верхней или нижней ветви магнитопровода 11) и противолежащим участком средней ветви магнитопровода 11. Величина магнитного потока, проходящего по такому зубцу, возрастает, а при наличии на зубце одной, из обмоток 13-16 соответственно возрастает и величина наводимого в ней электрического сигнала (фиг. 2). Наибольшие перекрытия зубцовых торцов, а следовательно, наибольшие уровни выходных сигналов обмоток 13-16 и пропорциональные им уровни выходных напряжений детекторов 17-20 амплитуды достигаются при значениях X, равных значениям координат центров зубцов неподвижного магнитопровода 11. С удалением подвижного элемента 10 от какого- либо из зубцов, снабженных обмотками 13-16, магнитный поток, проходящий через данный зубец, ослабляется, соответственно, снижаются уровни наводимого в обмотке данного зубца сигнала и выходного напряжения связанного с ней детектора 17-20.

Комбинация указанных участков возрастания, перехода через максимум и убывания зависимостей выходных напряжений детекторов 17-20 от перемещений подвижного элемента 10 для Su 0 показана на фиг. 2. Зубцы верхней и нижней ветвей магнитопровода 11 имеют одинаковые форму и размеры, что с учетом указанного равенства зазоров, образуемых подвижным элементом 10 с зубцами верхней и нижней ветвей магнитопровода 11, обусловливает при О

равенство уровней сигналов U U16 и U (Cj 11го соответственно. Нулевое значение координаты X (нижняя граница диапазона преобразования) привязано К положению подвижного элемента 10, для которого уровни выходных сигналов обмоток 13 и 14, а также детекторов 17 и 18 попарно равны один друзход переключателя 25, в результате чего опорный выход источника 9 соединяется с входом АЦП 8, на выходе которого и в этом случае устанавливается код переполнения.

Таким образом, информационной совокупностью кода переполнения АЦП 8 и напряжения единичного уровня ши

Изобретение относится к аналого-цифровым элементам автоматики. Целью изобретения является повышение точности преобразователя и достоверности определения границ диапазона преобразования. Для этого в преобразователь перемещений в код, содержащий трансформаторный датчик, четыре детектора амплитуд, два компаратора, источник переменного напряжения, источник опорного напряжения, коммутатор, первый функциональный преобразователь и аналого-цифровой преобразователь, введен второй функциональный преобразователь. При нахождении подвижного элемента в пределах преобразования перемещений на выходах компараторов устанавливаются напряжения низкого уровня и к входу аналого-цифрового преобразователя подключается выход второго функционального преобразователя, который совместно с первым функциональным преобразователем воспроизводит зависимость координаты подвижного элемента от величин продетектированных сигналов, получаемых на выходах трансформаторного датчика. Значения входного кода аналого-цифрового преобразователя пропорциональны контролируемой координате и не зависят от нерабочих поперечных смещений подвижного элемента. Когда подвижный элемент выводится из диапазона преобразования, на одном из выходов компараторов устанавливается напряжение высокого уровня, к входу аналого-цифрового преобразователя подключается источник опорного напряжения и на информационных выходах формируется код переполнения, а на соответствующем контрольном выходе устанавливается сигнал высокого уровня. 6 ил.

гому U13 U

-44

U,7

Верхняя гра- ,п ны 23 предлагаемый преобразователь

ница хг диапазона преобразования привязана к положению подвижного элемента 10, для которого попарно равными являются величины выходных сигналов обмоток 14 и 15, а также детекторов 18 и 19 U

44

U

tf

и)В и„

Для

определенности принято, что параметры датчика 1 обеспечивают положение хг (фиг. 2) .

Коммутационное состояние переключателя 25 определяется следующим образом. Если на его управляющий вход воздействует напряжение нулевого уровня, то к входу АЦП 8, который (для определенности) является устройством параллельного действия, подключается выход функционального преобразователя 5, если же на управляющий вход переключателя 25 воздействует напряжение единичного уровня, то к входу АЦП 8 подключается выход источника 9. Когда подвижный элемент 10 выведен влево за пределы диапазона преобразования перемещений (х « 0), то )g

U

15

на выходе компаратора 21 устанавливается напряжение единичного уровня, а на выходе компаратора 22 - напряжение нулевого уровня. Одновременно высокий уровень напряжения с выхода компаратора 21 воздействует через элемент ИЛИ 26 на управляющий вход пере- .ключателя 25. Тогда к входу АЦП 8 подключается опорный выход источника 9, напряжение на котором выбирается заведомо большим, чем верхний предел диапазона преобразования входного напряжения АШ 8, и на выходе АЦП 8 устанавливается код переполнения, содержащий единицы во всех разрядах.

Когда подвижный элемент 10 выведен вправо за пределы диапазона преобразования перемещений (), то

и„

U Ut-j , на выходе компаратора 21 устанавливается напряжение нулевого уровня, а на выходе компаратора 22 - напряжение единичного уров ня, Выходное напряжение единичного уровня компаратора 22 через элемент ИЛИ 26 воздействует на управляющий

-

.

15

20

сигнализирует о выводе подвижного элемента 10 влево за пределы диапазона преобразования перемепэний, а совокупностью кода переполнения АЦП 8 и напряжения единичного уровня шины 24 - о выходе подвижного элемента 10 из диапазона преобразования вправо. Наличие в этих случаях на выходе АЦП 8 кода переполнения исключает возможность выдачи устройством ложной, но сходной с достоверной информации.

Когда центр подвижного элемента 10 находится в диапазоне преобразования 25 перемещений, то U1S , U,0 s , а выходные напряжения компараторов 21 и 22 имеют нулевые уровни, воздействующие через элемент ИЛИ 26 на управляющий вход переключателя 25, что обусловливает подключение к входу АЦП 8 выхода функционального преобразователя 5. При Jo 0 напряжение U(o(X) и2о(Х)и однозначно соответст- вует координате подвижного элемента 10 (фиг. 2). При нерабочем смещении подвижного элемента 10 0« О вверх величина сигнала, наводимого в обмотке 16, и величина напряжения, снимаемого с выхода детектора 20, возрастают, а уровни сигналов в обмотках 13-15 и соответствующих им выходных напряжений детекторов 17-19 снижаются (фиг. 3).

При нерабочих смещениях подвижно30

35

40

45

го элемента 10 S. 0 сигналы в об0

50

мотках 13-15 возрастают сравнительно с их уровнями, соответствующими отсутствию нерабочих смещений, а сигнал в обмотке 16 ослабляется. Величина выходного напряжения каждого из де- текторов блока 3 прямо пропорциональна уровню его выходного сигнала.

Появление нерабочих поперечных смещений, изменяя величину сигналов в обмотках 13-15, не изменяет коорди- кат проекций центра подвижного элемента 10 для его положений, при которых уровни сигналов обмоток смежных зубцов нижней ветви магнитопровода 11

являются равными один другому, т.е. равенства

и„() U4f (X-0);

(X хг) 0,(Х хг) являются действительными и йля случаев Su ф 0.

Поскольку люфт не влияет на характер (качественный) возрастания и убывания функции U(X), то во всем диапазоне D ,, между выходными напряжениями детекторов 17-19 поддерживаются со.- отношения

и(8 . если X 0;

U,7 Uig , если X 0;

U(8 и,7 , U1B т U19 , если х.

)в U,9 , если X х,

1q U(8 И п , если Х хг .

Следовательно л как при наличии, так и при отсутствии нерабочих сме- щений в случае вывода подвижного элемента 10 влево за пределы диапазона преобразования выход компаратора 21 находится в единичном, а выход компаратора 22 - в нулевом состояниях; при выводе подвижного элемента 10 за пределы диапазона преобразования вправо выход компаратора 21 находится в нулевом, а выход компаратора 22 в единичном состояниях; при нахождении подвижного элемента 10 вне диапазона LO, по управляющему сигналу единичного уровня с выхода элемента ИЛИ 26 переключатель 25 соединяет опорный выход источника 9 с входом АЦП 8, на выходе которого устанавливается код переполнения.

Когда при любом (- 00 00 ) центр подвижного элемента 10 перемещается внутри заданного диапазону пре образования, на шинах 23 и 24 устанавливаются напряжения нулевого уровня, и переключатель 25 соединяет с входом АЦП 8 выход второго функционального преобразователя 5.

Рассмотрим работу преобразователя, когда подвижный элемент 10 расположен в рабочем диапазоне.

Максимально возможный уровень сигнала любого из детекторов 17-20 обозначим через Um(), тогда выходные напряжения детекторов 19 и 20 представляются в безразмерной форме как отношения

2i- u«, 4t uzo/iv

Кроме того, (Х/хг) - относительные перемещения подвижного элемента 10 (фиг. 4).

0

5

0 зо

Q

Отсчет пары значений u(q jU2o уровней выходных напряжений детекторов 19 и 20 однозначно определяет относительную Ч х и, абсолютную X хг- координаты подвижного элемента 10 на оси контролируемых перемещений .

Величины l , Чг , получаемые в результате детектирования блоком 3 выходных напряжений обмоток 15 и 16, в дальнейшем используются как аргументы зависимости, отражающей установленную однозначность связи fx (i г) (Фиг. 5), которую целесообразно аппроксимировать дробно-рациональными выражениями относительно одной из величин J7, , с параметрами, зависящими от другой из величин фц

I-Т

35

х

i

5 где а

(1);

V

1

Ь| - безразмерные коэффициен - ты аппроксимации, являющиеся функциями g PJ Я безразмерные постоянные показатели степеней соответственно в слагаемых числителя и знаменателя аппроксимирующей функции;

m - число слагаемых в числителе;

п - число слагаемых в знаменателе

Зависимости а ; ( г) , Ъ , ( Ј2) представляются полиномами

™; .«.

-ЈьЦ1 3

с постоянными параметрами аппрокси-

мации а

Г

J

q (независимыми от Ј ),

Аппроксимация функции двух переменных х( реализуется функциональными преобразователями 4 и 5, причем принято m , п| 2; р4 q1 1; рг q О, Ь, 0, т.е. указанные выражения аппроксимирующей функции и коэффициентов а

1

конкретизируют

ся следующим образом: к

а, , + Ь2 CW

а4 а( g Г + 5

+ аr i

(1)

Ч b,,f+

4-27

или с учетам размерности преобразуемых физических величин

0 . . к 5.2 , (2,

где Ua, KQ, ;

UQz Ka ;

иьг Kbg;

К - масштабный коэффициент параметров аппроксимации, имеющий размерность напряжения и выбираемый равным

um;

Ku масштабный коэффициент операции умножения напряжений, выбираемый равным (1 /U р, ) .

Значения коэффициентов аппроксимации, содержащихся в выражениях для а,, а2, Ь2) определяются экспериментальным или расчетным путем на этапе соответственно изготовления или проектирования преобразователей. При опытном определении коэффициентов аппроксимации диапазон преобразования перемещений разбивается на заданное число участков, с помощью образцовых средств механических измерений (например, микрометрического винта с индикатором) фиксируются значения X на границах указанных участков диапазона преобразования и изменяются соответствующие этим значениям X уровни и,„ Ц™ выходных напряжений блока 3 для ряда значений люфта оц, изменяемых в пределах Dy. Необходимост измерять сами значения 6о нет, так как в определяемой функции х (Ј) аргументами являются U1(/Um , U2o/Um и знать с достаточной точностью надо значения именно этих аргументов. Затем экспериментально полученный набор соответствий X«-(U19 U$0) или Х 2 с помощью метода наименьших квадратов преобразуется в форму дробно-рациональной функции (1). Очевидно, что соотношение Јх С 2, ( $4 0) MB 0)1, где Ч, (« О) fЈj ((u О) входит в аппроксимирующую зависимость Јх(Ј) как частный случай.

Первый функциональный преобразователь 4 формирует напряжения, входящие в выражение (2)„ как функции от аргумента U2oрр

Uq,« Ka, K(a«2V + a,2O

«а

,У€ОчР„

Vm

+ иа(,фР1а ; С3)

-Ти

.Р,-.

Ka К гг11+ а«)

Л2

ия„. ()Pil и

J« Un

п (-& гг

W

-V

къа к(ь21г; + ) (5)

5

0

5

0

Ub2l КЬ22.

Уровни иа„ , Ua(1 ,

и,

21 иагг

5 i

Ub2, , и„ йзвестные по опытным или расчетным данным, задаются (воспроизводятся) на установочных выходах источника 9.

Каждый из блоков 28-33 вычислений реализует непрерывную функцию трех переменных (фиг. 6, индексы г 28- 33 соответствуют позициям блоков 28- 33 вычислений)

„,-,.„ Л.

где Ur - выходное напряжение г-го

блока вычислений;

Uri - напряжения, подаваемые соот- иг2,иг з ветственно на его первый,

второй и третий входы; Mj, - задаваемые показатели степени.

Выходное напряжение детектора 20 и напряжения установочных выходов источника 9 разводятся по входам блоков 28-33 следующим образом:

0

U 20

и

U2 2. ЪЪ.Ъ

и и

29, г

29,3

иэз,; зз.з;

Ua,, - ,(

и

Oil

им.

1

5

0

5

иаг, им., ; Uo,zi u,.«; иь2( u,2l. ;

Ub22. U«,1

Кроме того, устанавливаются

М-26 Р,

М

14

. мзо р«1;

м

э

; М32. qa(

М

53

q

Тогда на выходах сумматоров 34-36 реализуются соотношения (3)-(5) и выделяются выходные напряжения соответственно

U,+ Ua, ;

и.

Ъ5

U

аа U36

и,6 иь

г

Эти напряжения подаются на управляющие входы второго функционального преобразователя 5: напряжение на

вход блока 37, напряжения U, U36 - на входы слагаемых соответственно суматоров 38 и 39. Блоком 37 выделяется уровень напряжения

U37 Кэиа,и19 lUKa,- КГ

- Ка, (tft),.

На выходе сумматора 38 формируется напряжение

U3a U37+ U35 ,Uw+ Uq±

,(H, + a2(2) , поступающее на вход делимого блока 4 деления.

На выходи сумматора 39 выделяется напряжение

U

зэ

U,o+ U« + U,

Э6

, + ье(г)

19

воздействующее на вход делителя блока 40 деления, выходной сигнал которого по величине равен

S.ii kljL±2i(lЈl

«40

К

аи

Uw v

- - - „ (

39

3 ,+ ь4ад

где Кл масштабный коэффициент операции деления напряжений, имеющий размерность напряжения .

Выбирая для определенности Ка К Um, видно, что полученная на выходе второго функционального преобразователя 5 величина представляе собой реализацию зависимости (2)

и40 и, ог, ,«г) |- х s

т

X,

S const - коэффициент пропорциональности (чувствительность по контро- . лируемому перемещению) , не зависящий от поперечных смещений §. При Хр переключатель 5

обеспечивает электрическое соединение выхода второго функционального преобразователя 5 с входом АЦП 8, который выдает по выходу 27 двоичный код, значения которого пропорциональ- 45 ны уровню преобразуемого АЦП 8 сигнала U,Q Ux, т.е. при нахождении цен- центра подвижного элемента I0 в пределах диапазона преобразования выходной код устройства пропорционален ™ координате X и его значения не зависят от величины поперечных смещений 8ц , поскольку от указанной зависимости избавлена величина U

выполненный в виде Ш-образного магни топровода, с тремя зубца;да на каждом из крайних стержней, обмотку возбуждения, выполненную в виде двух секций, расположенных на основании Ш-об разного магнитопровода по обе стороны от центрального стержня, и подклю ченную к источнику переменного напря жения, подвижный ферромагнитный элемент, расположенный на центральном стержне, первую обмотку считывания, расположенную на среднем зубце верхнего стержня Ш-обраэного магнитопровода и соединенную с входом первого детектора амплитуды, вторую, третью и четвертую обмотки считывания, расположенные на трех зубцах нижнего стержня Ш-образного магнитопровода и соединенные соответственно с входами второго, третьего и четвертого детек торов амплитуды, выходы второго и четвертого детекторов амплитуды соединены с неинвертирующими входами соответственно первого и второго ком параторов, источник опорного напряжения, первый функциональный преобразователь, аналого-цифровой преоб- разов ат-ель к коммутатор отличающийся тем,что, с целью повышения точности преобразователя и достоверности определения границ диапазона преобразования, в него введен второй функциональный преобразователь, выход первого детектора амплитуды соединен с первым входом первого функционального преобразователя выход второго детектора амплитуды соединен с первым входом второго функционального преобразователя, выход третьего детектора амплитуды соединен с инвертирующими входами перво го л второго компараторов, выходы которых являются контрольными выходами преобразователя и соединены с управляющими входами коммутатора, первый выход источника опорного напряжения соединен с первым информационным входом коммутатора, а второй выход соеди нен с вторым входом первого функционального преобразователя, выход которого соединен с вторым входом второго функционального преобразователя, выход которого соединен с вторым инUL(g),- SX, преобразуемая в выход- формационным входом коммутатора, вы..... .-. . « ri-XA rt r/- -Mn/ -i- /4Tir-s с- ГЧЛГТ ТТТЛТЛ f Q TT QTTfV

ной двоичный код АЦП 8,I

Формула изобретениЯ| Преобразователь перемещений в код, содержащий трансформаторный датчик,

ход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого является информационным выходом преобразователя.

0

5

0

25

30

35

40

45 ™

выполненный в виде Ш-образного магни- топровода, с тремя зубца;да на каждом из крайних стержней, обмотку возбуждения, выполненную в виде двух секций, расположенных на основании Ш-образного магнитопровода по обе стороны от центрального стержня, и подключенную к источнику переменного напряжения, подвижный ферромагнитный элемент, расположенный на центральном стержне, первую обмотку считывания, расположенную на среднем зубце верхнего стержня Ш-обраэного магнитопровода и соединенную с входом первого детектора амплитуды, вторую, третью и четвертую обмотки считывания, расположенные на трех зубцах нижнего стержня Ш-образного магнитопровода и соединенные соответственно с входами второго, третьего и четвертого детекторов амплитуды, выходы второго и четвертого детекторов амплитуды соединены с неинвертирующими входами соответственно первого и второго ком™ параторов, источник опорного напряжения, первый функциональный преобразователь, аналого-цифровой преоб- разов ат-ель к коммутатор отличающийся тем,что, с целью повышения точности преобразователя и достоверности определения границ диапазона преобразования, в него введен второй функциональный преобразователь, выход первого детектора амплитуды соединен с первым входом первого функционального преобразователя, выход второго детектора амплитуды соединен с первым входом второго функционального преобразователя, выход третьего детектора амплитуды соединен с инвертирующими входами первого л второго компараторов, выходы которых являются контрольными выходами преобразователя и соединены с управляющими входами коммутатора, первый выход источника опорного напряжения соединен с первым информационным входом коммутатора, а второй выход соединен с вторым входом первого функционального преобразователя, выход которого соединен с вторым входом второго функционального преобразователя, выход которого соединен с вторым информационным входом коммутатора, выri-XA rt r/- -Mn/ -i- /4Tir-s с- ГЧЛГТ ТТТЛТЛ f Q TT QTTfV

ход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого является информационным выходом преобразователя.

дърф

ъ у 2 у

j

огп

:

$

П

й:

t

П

V

R

L/L.ii

ж;

Ч

2 епф

Ъ 0

п

гД

г

v t

V /S /

fl

«

ЈJ

lZ

П

/ТТГЛi

;

Й

2221ZZZ,

5/

/z

Wl

Ч «

J

90 76551