Устройство для измерения быстроменяющихся неэлектрических величин Советский патент 1991 года по МПК G01P3/50 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, конкретно к измерениям неэлектрических величин параметрическими датчиками.

Целью изобретения является экономия энергоресурса источника питания за счет использования энергии их измеряемого объекта, расширение функциональных возможностей.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - соленоидный датчик устройства.

Устройство для измерения быстроменяющихся неэлектрических величин содержит соленоидный датчик 1 и измерительный преобразователь 2. Соленоидный датчик 1

снабжен обмоткой 3 питания, измерительной обмоткой 4, состощей из двух соединен- ных последовательно встречно полуобмоток, дополнительной индукционной обмоткой 5 и жестко связанным с изме- ряемым объектом ферромагнитным сердечником 6, на концах которого установлены постоянные магниты 7 и 8, являющиеся источником постоянного магнитного поля, направленного вдоль оси соленоидного датчика 1.

Измерительный блок 2 устройства снабжен выпрямителем 9, вычитающим блоком 10, первым и вторым фазочувствительными выпрямителями 11 и 12, логометрическим преобразователем 13, блоком 14 реверсивDS XI

S4

к

О

ного счета и образцовым резистором 15. Обмотки 3-5 соленоидного датчика размещены на полом цилиндрическом диэлектрическом каркасе 16 внутри цилиндрического ферромагнитного экрана 17, а ферромагнитный сердечник 6 на торцах имеет цилиндрические полюсные наконечники 18 и 19, размещен внутри каркаса 16 так, что обеспечена возможность перемещения ферромагнитного сердечника 6 внутри каркаса 16.

На внешней поверхности каркаса 16 по длине расположены окружные пазы 20, имеющие в профиле форму полупериода синусоиды. В пазах 20 уложена дополнительная обмотка 5, участки которой, размещенные в соседних пазах, соединены между собой последовательно встречно. Обмотка 3 питания соленоидного датчика 1 выполнена с равномерным распределением витков здоль оси каркаса, а каждая из половин измерительной обмотки 4 имеет от середины каркаса 21 к его краям линейно распределенное число витков во взаимопротивоположных направлениях.

Устройство работает следующим образом.

Постоянные магниты 7 и 8 создают в магнитной цепи устройства постоянный магнитный поток, замкнутый в направлении, показанном на фиг. 2 пунктирной линией. При этом постоянный магнитный поток охватывает часть витков индукционной обмотки 5, часть витков обмотки питания 3 и часть витков измерительной обмотки 4.

При перемещении объекта происходит изменение разности между числами встречно включенных витков участков индукционной обмотки 5, охваченных постоянным магнитным потоком, в соответствии с зависимостью

AW,.n., (1)

Лп

где Л/ин.п. - число витков в одном пазе 20 индукционной обмотки 5;

Хп - максимальная длина паза 20 вдоль диэлектрического каркаса 16;

Xn(t) - значение измеряемого перемещения.

В результате в индукционной обмотке 5 индуктируется ЭДС еин, значение которой определяется зависимостью

.«КФ-АУУин.фм, ,

«ин.п

11

(2)

(3)

имеем

Јixu - -

0

5

0

5

0

п

Ф,Л/И

П

v - vvwH.n. COS ( vT Vc t ) Vc , (4)

Лп Лп

где Ф.- значение постоянного магнитного потока;

/с - значение скорости перемещения ферромагнитного сердечника 2.

Из выражения (4) видно, что индуктируемая в индукционной обмотке 5 ЭДС еин является гармоническим сигналом и ее значение определяется скоростью движения объекта. При этом о скорости перемещения объекта можно судить как по амплитуде ЭДС, так и по частоте ее изменения. По числу полупериодов ЭДС еин можно судить о значении измеряемого перемещения, так как один полупериод соответствует смещению подвижного элемента на длину одного паза, в которой уложена часть витков индукционной обмотки. Постоянное магнитное поле при движении ферромагнитного сердечника не индуктирует ЭДС в обмотке питания 3, так как не происходит изменения числа витков, охваченных постоянным магнитным полем, ввиду равномерного распределения числа ее витков вдоль оси каркаса 16.

По обмотке 3 питания протекает ток in, значение которого с учетом выражения (4) определяется следующим образом

в Ф-УУин.п. COS (CQt) tnRo-bRn+jftJLn

(5)

где Ro - значение сопротивления образцового резистора 15;

Rn - значение активного сопротивления обмотки 3 пмтания;

Vc - значение частоты тока ПИСУ

0

5

0

Б

тания;

- значение индуктивности обмотки 3 питания.

Тогда значение напряжения URO на образцовом резисторе 15определится выражением

(О ФгМ/ин.п. Но

VRO -j

COS ( О) t ) . (б)

Ro + Rn + J о) Ln Значение напряжения U, падающего в цепи, состоящей из последовательно соединенных обмотки 3 питания и образцового резистора 15, с учетом выражения (4) может быть представлено Е виде

О) ФДЛ/ин.п. ( RQ + Rn) ,

+ Rn + j to Ln

+ J

ИН.П.

Ln

3х

(7)

Ro + Rn + j ft Ln

x cos (on).

Первый фазочувствительный выпрямитель 11 выделяет квадратурную относительно напряжения VRO, приложенного к его

управляющему входу, составляющую на- пряжения U, приложенного к его основному входу.

Тогда с учетом выражений (6) и (7) напряжение Un на выходе фазочувствитель- ного выпрямителя 11 определится следующим образом

w v а Ф-УУин.п. U,„,,

V11 K11 Ro+Rn+JfflU {8)

где Кп - коэффициент передачи первого фазочувствительногоо выпрямителя 11.

Ток 1П, протекающий в обмотке 3 питания, создает переменный магнитный поток Ф , преобладающая часть которого замкнута по тому же пути, что и постоянный магнитный поток Ф. вследствие незначительного магнитного сопротивления этого пути. В результате витки измерительной обмотки охвачены суммарным магнитным потоком Ф,, состоящим из двух составляющих

Ф Ф. + Ф -(9)

при этом

W,m

Ф

(Ю)

W4-I Wo 1 +

.

(11)

где Wn - число витков обмотки 3 питания, охваченных преобладающей частью переменного магнитного потока;

ZM - магнитное сопротивление на пути преобладающей части переменного магнитного потока.

Число витков измерительной обмотки 4, охваченных суммарным магнитным потоком соответственно для одной W/q-i и другой W/HI ее половин описывается выражениями Xn(t) Хм

W4-n Хпх(мг)3,(12)

где W4-I и Л/4-п - число витков одной и другой половин измерительной обмотки 4, охваченных суммарным магнитным потоком;

W0 - число витков одной из половин измерительной обмотки 4, охваченных суммарным магнитным покотом Ф,, при Хи 0;

Хм - максимальное значение измеряемой величины.

С учетом последовательно встречного соединения измерительных полуобмоток суммарное число витков измерительной обмотки 4, охваченное суммарным магнитным потоком, определится следующим образом

(

Тогда ЭДС, индуктируемая в измерительной обмотке 4, при перемещении ферромаг- нитного сердечника определится выражением

-

dt

Wt W4-I - W4-H 2W0

еиз;

(14)

Или с учетом выражений (5), (9), (14) имеем

„ dJWlMML l- еиз-dt

A ЦЩУ

d t. dt

dXn(t) dt

+

i-2

W0Wn 1

ZM XM

О) Ф.-ЛУин.п. COS (ftJt)

Ro + Rn + j o U

(15)

X

dxn (t)

W0Wn

dt ZM

У 1 О ФгУУин.П. Sin ()

ЛХМ Ro + Rn-f jwU

X Xn ( t ) .

На выходе выпрямителя 9 имеем напряжение Ug, которое с учетом соотношения (2) определяется как

V9 - -К9 Ф WHH.H. d У . (16)

тогда на выходе вычитающего блока 10

имеем напряжение, которое с учетом выражений (15) и (16) определяются следующим

0

образом

Vio Vg -еиз -Кэ х л Л ... d Хп (t ) ,

X - Ф- WMH.n.J +

1 d Xn (t )

dt

AT

+ 2 W0 Ф.

5

0

-2

W0Wn

ZM

XM

й;фJWин.n. cos (tut) Ro+Rn+jo Ln

dXn(t)W0Wn y

A -Г / Л

dtZM

у 1О .п. Sin (QJt)

ХмR0+Rn+ja;Ln

XXn(t)

(17)

0

или, выполнив соотношение (-2)-0.

(18)

5v Xn XM

что может быть достигнуто, например, подбором при настройке устройства коэффициента передачи выпрямителя 9, имеем W0Wn 1

Vw rZM Хм

v юФлДЛ/ин.п. COS (Wl )

Ro + Rn + j ш Ln W0Wn

xdX;t(0+2

ZM

X

X

X

(19)

v J а ФсМин.п. sin () AXM R0+Rn+ju Ln

XXn(t).

Первый фазочувствительный выпрямитель 11 выделяет квадратурную относительно напряжения VRO, приложенного к его управляющему входу, составляющую напряжения Uio, приложенного к его основному входу. Тогда с учетом выражений (6) и (19) напряжение Un на выходе фазочувстви- тельного выпрямителя 11 определится следующим образом

W0Wn 1

X

ZM

.п.

ХмХ Xn(t)

(20)

Ro + Rn + joLn где Кц - коэффициент передачи фазочувст- вительного выпрямителя 11.

Напряжение на выходе логометриче- ского преобразователя 13 с учетом выражений (8) и (20) определится как

Ki2Kii v

V13

Kl2

X

Wo Wn

Xn(t)

(21)

Zn Ln XM

где KIS - коэффициент передачи логометри- ческого преобразователя 13.

Тогда, приняв во внимание соотношение

Ln

Wn

ZM

(22)

с учетом выражения (21), имеем Vx Via 2

Ki3 Кц L W0 . Y ,, ,„„,

KiW Xn(t) (23)

Отсюда следует, что напряжение на выходе логометрического преобразователя 6 пропорционально значению измеряемой неэлектрической величины, в частности перемещению Xn(t) объекта.

Напряжение с выхода первого фазочу- ствительного выпрямителя 11 подается на управляющий вход и блока 14 реверсивного счета, который, если знак напряжения Un положительный, суммирует число периодов п ЭДС вин, подключенной к его основному входу.

Если знак напряжения Un отрицательный, то блок 14 реверсивного счета вычитает число периодов п ЭДС вин, подключенной к его основному входу.

Выходной сигнал блока 14 реверсивного счета определится соотношением

n slg (t)

Xn(t). Хп

(24)

где sign Xn(t) р, при Xn(t) О

2 0, при Xn(t) О

L-1, приХп(1)0

у (t

ent 1 + - - наибольшее

превосходящее отношение

Естественным условием нормального функционирования логических элементов, на которых может быть реализована схема цифровогоо блока 14 реверсивного счета и

электронных ключей, обычно имеющихся в схемах фазочувствительных выпрямителей 11, 12, является предварительное формирование электрических уроанёй сигналов (импульсов) управления.

Формирователи электрических уровней сигналов управления являются неотъемлемой частью указанных блоков устройства. На фиг. 1 данные формирователи сигналов управления не указаны в виде отдельных

- блоков, так как их присутствие не является принципиально необходимым, а носит вспомогательный характер, служит обеспечению надежности и точности функционирования отдельных блоков устройства.

Следует также отметить, что в качестве обмотки 2 питания в устройстве в некоторых случаях может быть использована непосредственно дополнительная обмотка 5 соленоидного датчика 1 (при достаточном

количестве витков индукционной обмотки 5, размещаемых в пазе 20).

Формула изобретения

1. Устройство для измерения быстроменяющихся неэлектрических величин, содержащее измерительный преобразователь и соленоидный датчик, снабженный обмоткой питания и измерительной обмоткой, которые размещены внутри цилиндрического

ферромагнитного экрана на полом цилиндрическом каркасе, внутри которого расположен жестко связанный с измеряемым объектом ферромагнитный сердечник, причем обмотка питания соленоидного датчика

выполнена с равномерным распределением витков вдоль оси каркаса, а измерительная обмотка состоит из двух соединенных последовательно встречно секций, имеющих линейно распределенное от середины каркаса к его краям число витков во взаимно- противоположных направлениях, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и экономии энергоресурса источника питания, Сопеноидный датчик устройства снабжен дополнительной обмоткой, в торцах ферромагнитного сердечника установлены постоянные магниты с цилиндрическими полюсными наконечниками, по длине каркасз на его внешней поверхности выполнены окружные пазы, имеющие в профиле форму полупериода синусоиды, в которых уложена дополнительная обмотка, причем расположенные в соседних пазах участки дополнительной обмотки соединены между собой последовательно встречно.

2. Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что измерительный преобразова- тель содержит соединенные с общей шиной выпрямитель, вычитающий блок, первый и второй фазочувствительные выпрямители, логометрический преобразователь, блок реверсивного счета и образцовый резистор, первый вывод обмотки питания соленоидного датчика соединен с первым выводом дополнительной обмотки, с входом выпрямителя, с входом второго фазочувствитель- ного выпрямителя, с входом блока реверсивного счета, с вторым выходом измерительного преобразователя, э первый вывод измерительной обмотки подсоединен к одному входу вычитающего блока, другой вход которого соединен с выходом

выпрямителя, вторые выводы дополнительной и измерительной обмоток соленоидного датчика подсоединены к общей шине, второй вывод обмотки питания соленоидного датчика подсоединен к управляющему входу первого и второго фазочувствительных выпрямителей и через образцовый резистор к общей шине, выход вычитающего блока соединен с входом первого фазочув- ствительного выпрямителя, выход которого соединен с управляющим входом блока реверсивного счета и одним входом логомет- рического преобразователя, другой вход которого соединен с выходоТй второго фазо- чувствительного выпрямителя, выход лого- метрического преобразователя является первым выходом измерительного преобразователя, третий выход измерительного преобразователя соединен с выходом блока реверсивного счета.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и предназначено для измерения быстроменяющихся неэлектрических величин. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и экономия энергоресурса источника питания за счет использования энергии перемещаемого объекта измерения. При перемещении ферромагнитного сердечника с расположенными на нем постоянными магнитами на дополнительной обмотке, являющейся составной частью генераторной части датчика-, индуктируется ЭДС, которая прикла- дывается к обмотке питания параметрической части датчика. На выходе датчика формируется аналоговый сигнал, пропорциональный скорости перемещения ферромагнитного сердечника. Измерительный преобразователь осуществляет обработку сигналов датчика и формирование на выходах устройства сигналов, пропорциональных перемещению и скорости измеряемого объекта. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

физЛ