Прецизионный измеритель перемещений Советский патент 1992 года по МПК G01B7/00 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и устройствам авто- матики и может использоваться для создания высокоточных средств контроля перемещений.

Известен измеритель перемещений, содержащий автогенератор, индуктивный дифференциальный преобразователь перемещения, два конденсатора, образующих с индуктивными элементами дифференциального преобразователя перемещения два последовательных резонансных контура, включенных параллельно в цепь обратной связи автогенератора.

Объединение последовательных резонансных контуров в параллельные цепи и

подключение их в цепь положительной обратной связи автогенератора автоматически обеспечивает работу преобразователя перемещения в резонансном режиме, то есть когда индуктивное сопротивление скомпенсировано емкостным и полное сопротивление каждой цепи практически равно сопротивлению обмоток дифференциального преобразователя перемещения. Однако, получение информации путем фиксации фазового сдвига каждой из обмоток дифференциального измерителя перемещения относительно опорного напряжения с выхода автогенератора существенно усложняет реализацию данного изобретения.

VI

XI

ел

СП

о ел

Известен индуктивный измеритель перемещений, содержащий автогенератор, индуктивный дифференциальный преобразователь перемещения, начало первой и второй обмоток которого объединены и подключены к одному из входов положительной обратной связи автогенератора, а концы обмоток дифференциального датчика подключены соответственно к первому и второму входам одной из диагоналей кольцевого диодного моста, первый и второй входы второй диагонали кольцевого диодного моста подсоединены к обкладкам первого и второго конденсаторов измерительного моста, вторые обкладки которых объединены и подключены ко второму входу положительной обратной связи автогенератора.

Введение кольцевого диодного моста не нарушило работу четырехплечевого измерительного моста, образованного катушками дифференциального датчика и конденсаторами, и позволило получить информацию о перемещении в виде разности постоянных уровней напряжения на конденсаторах измерительного моста.

Однако недостатками известного измерителя перемещения являются большие синфазные напряжения переменного тока, развиваемые на конденсаторах и гальваническая связь автогенератора с измерительной цепью, что усложняет согласование измерителя перемещения с вторичной аппаратурой.

Известен прецизионный измеритель перемещения в котором устранены эти недостатки, содержащий автогенератор, диф- ференциальный трансформаторный преобразователь перемещения, один из выводов первичной обмотки которого подсоединен к одной из обкладок конденсатора связи, второй вывод которого и второй вывод первичной обмотки дифференциального трансформаторного преобразователя перемещения подключены соответственно к первому и второму входам положительной обратной связи автогенератора, разноименные или одноименные выводы первой и второй вторичной обмоток дифференциального трансформаторного преобразователя перемещения соединены соответственно с первым и вторым входами кольцевого диодного моста, первый и второй входы второй диагонали кольцевого диодного моста являются выходами преобразователя и подключены к обкладкам первого и второго конденсаторов фильтра соответственно, вторые обкладки которых объединены и подсоединены к другим выводам первой и второй вторичных обмоток дифференциального трансформаторного

датчика перемещения и к третьему выходу преобразователя.

Недостатком данного преобразователя перемещения является нелинейность характеристики преобразования на краях диапазона перемещения, обусловленная изменением частоты автогенератора при изменении положения якоря преобразователя, и наличием большой нескомпенсиро0 ванной реактивной составляющей в выходном сигнале при нулевом положении якоря.

Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона ли5 нейного преобразования перемещения в постоянное напряжение.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее автогенератор, дифференциальный трансфор0 матерный преобразователь перемещений, один из выводов первичной обмотки которого через конденсатор связи подсоединен к одному из входов положительной обратной связи автогенератора, первая и вторая

5 вторичные обмотки дифференциального трансформаторного преобразователя перемещения соединены последовательно- встречно или последовательно-согласно, вторые выводы вторичных обмотоксоедине0 ны с первым и вторым выводами одной из диагоналей кольцевого диодного моста, первый и второй выводы второй диагонали которого являются выходами преобразователя и подключены к одним из обкладок

5 первого и второго конденсаторов фильтра соответственно, вторые обкладки которых объединены и подсоединены к общей точке соединения первой и второй вторичных обмоток дифференциального трансформатор0 ного преобразователя перемещений и к третьему выходу преобразователя, в дифференциальный трансформаторный преобразователь перемещения введены образцовый элемент и вторая первичная об5 мотка, включенная последовательно- встречно с первой первичной обмоткой и соединенная с вторым входом положительной обратной связи автогенератора, общая точка соединения первичных обмоток под0 ключена через образцовый элемент к одному из первых выводов одной из первичных обмоток дифференциального трансформаторного преобразователя перемещений. На фиг.1 представлена схема прецизи5 онного измерителя перемещения; на фиг,2 - четыре варианта кольцевого диодного моста; на фиг.З , 4, 5 - индуктивные дифференциальные преобразователи перемещения трансформаторного типа, в которых первая и вторая первичные обмотки включены

встречно, а первая и вторая вторичные обмотки включены встречно или согласно; на фиг.ба - эквивалентная схема магнитно- связанных цепей первичных обмоток, дифференциального трансформаторного преобразователя перемещения, согласующего конденсатора, образцового элемента активного (резистивного) характера, без учета влияния вторичных обмоток и нагрузки; на фиг.бб - эквивалентная схема, пол- ученная из исходной (фиг.ба) путем известного приема развязывания магнитно-связанных цепей.

Прецизионный измеритель содержит автогенератор 1, первый вход положитель- ной обратной связи которого подключен через конденсатор связи 2 к одному из выводов первичных обмоток 5 или 6, включенных последовательно встречно, общий вывод которых через образцовый элемент 3 соединен с одним из других выводов первичной обмотки 5 или 6, второй вывод первичной обмотки 6 или 5 подсоединен к второму входу положительной обратной связи автогенератора 1, разноименные или одноименные выводы соответственно первой 7 или второй 8 вторичных обмоток соединены с первым и вторым входами кольцевого диодного моста 10, первый и второй входы второй диагонали кольцевого диодного моста являются первым 12 и вторым 13 выходом преобразователя и подключены соответственно к первым обкладкам первого 9 и второго 11 конденсаторов фильтра, вторые обкладки которых объединены и подключены к общей точке соединения вторичных обмоток 7, 8 и к третьему выходу 14 преобразователя.

На фиг.2 приняты обозначения: диоды 15, 16, 17, 18; резисторы 19 20. 21. 22. На фиг.З, 4, 5 приняты обозначения: образцовый элемент 3; якорь 4; первичные обмотки 5, 6; вторичные обмотки 7, 8; П-образные {фиг.З) или Ш-образныеГфиг.4) магнитопро- воды 23, 24.

Известно, что из-за электрической или магнитной асимметрии нейтральное геометрическое положение дифференциальных индуктивных и трансформаторных преобразователей не соответствует деист- вительному нейтральному положению. Они имеют остаточное выходное напряжение, которое содержит синфазную и квадратурную составляющие тока или напряжения, а также высшие гармоники. Синфазную мож- но свести к нулю и перемещением якоря в ту или иную сторону. Квадратурная (реактивная) и высшие гармонические составляющие перемещения якоря не компенсируются, поэтому при любом положении якоря выходное напряжение первичного измерительного преобразователя не равно нулю, что соответствует аддитивной составляющей погрешности.

Для компенсации (достижении равенства) квадратурных составляющих тока или напряжения в сигналах Увых и ивых2, снимаемых с вторичных обмоток 7 и 8, параллельных одной из первичных 5 или б обмоток подключают образцовый элемент 3, величину которого подбирают путем изменения в ту или другую сторону в момент достижения минимального значения выходного напряжения 1)вых1-11вых2 при согласном включении вторичных обмоток 7 и 8 и нейтральном положении якоря. Т.е. компенсируют синфазные составляющие в выходном сигнале путем перемещения якоря, при прохождении которого через геометрическую нейтраль дифференциального трансформаторного преобразователя выходное напряжение (изменение которого контролируют с помощью двухлучевого осциллографа) достигает своего минимального значения, а затем (при дальнейшем перемещении якоря) постепенно меняет фазу (относительно опорного, снимаемого например с одной из первичных обмоток) почти на 180° не меняя практически величину амплитуды. Последующая компенсация квадратурной составляющей выходного сигнала осуществляется путем подключения образцового элемента (резистора от 100 кОм и выше) параллельно одной из первичных обмоток и определении направления изменения амплитуды выходного сигнала. Причем уменьшение амплитуды выходного сигнала свидетельствует о правильном выборе шунтируемой первичной обмотки. Изменяя величину сопротивления образцового элемента, добиваются не только минимального значения амплитуды выходного сигнала при прохождении якорем нейтрального положения, но и резкого изменения фазы выходного сигнала.

При составлении уравнения для магнитно-связанных цепей необходимо знать, согласно или встречно направлены потоки самоиндукции или взаимоиндукции. Составим уравнения для мгновенных значений (фиг.ба) h i2 + з. Для левого контура (первая и вторая ветви)

-+ i2R3-ei. dtdts

a)

Перед слагаемым Mdi3/dr поставлен знак минус, так как токи И и 1з входят в разноименные зажимы магнитно-связанMR5+ тг- /И dt

2

ных катушек, то имеет место встречное включение. Сумма слагаемых 5 -- М -- предdtat

ставляет собой падение напряжения на первой катушке.

Составим уравнение для первого контура (вторая и третья ветви). Направление тока 12 встречно направлению обхода контура, поэтому сумма падений напряжений во второй ветви (Рз) войдет в уравнение со знаком минус:

2 R3 + L6 - М + 1з Рб 0 б) at at

в комплексной записи

о 1з j ш М Е в)

hjwM 0 г)

h( + ) + l2R3

з (Re + j a) Le) - la R3

Выполним преобразования для развязывания магнитно-связанных цепей. С этой целью в уравнении (в) заменим з на IH2 и в уравнении (г) И на 12 + 1з

И R5 - -4- + J at (is - М) + I2 (Ra - j ш М) Е

Ш

д)

+ (U-M)-l2(R3 + jwM) 0 e) Сопоставим схемы (фиг.ба и фиг.бб), замечаем, что L.5 заменена на (Ls-M), Le на (Le-M), а во вторую ветвь введена индуктивность . Таким образом, изменяя величину вновь введенного образцового резистора RS будем изменять величину тока 12,что позволяет скомпенсировать величину реактивной составляющей тока h, проходящего через первичную обмотку 5. Учитывая, что каждая из первичных обмоток 5 и б имеют магнитную связь с вторичными обмотками 7 и 8 можно скомпенсировать фазовый сдвиг ивых1 и Увыха при симметричном положении якоря А относительно пар обмоток 5, 7 и 6,8, т.е. фазовый сдвиг будет равен л при согласном включении обмоток 7, 8 или нулю при встречном включении обмоток 7 и 8. Компенсация реактивной составляющей выходного напряжения позволяет уменьшить аддитивную составляющую в выходном сигнале и повысить точность линейного преобразования перемещения в уровень выходного сигнала, особенно вблизи, и нейтральном положении якоря 4. При переходе якоря 4 через нейтральное положение результирующий выходной сигнал (11вых1 UBHXZ) при согласном (фиг.4,5) или ивых1+ивых2 при встречном (фиг.З) включении вторичных обмоток 7, 8 переходит через нулевое значение изменяя фазовый сдвиг на относительно одного из сигналов, например 1)вых1Рассмотрим работу устройства на примере дифференциального трансформаторного преобразователя перемещения с встречно включенными обмотками 7, 8 (фиг.З), в котором, например, для компенсации реактивной составляющей комплексного выходного тока образцовый элемент 3 включен параллельно обмотке 5. Данный преобразователь может работать с кольцевым диодным мостом, изображенным на фиг.2б,г.

0В первичной цепи ток протекает по цепи: один из входов положительной обратной связи автогенератора 1, конденсатор 2, параллельно соединенные образцовый элемент 3 и первичная обмотка 5, первичная

5 обмотка 6, второй вход положительной обратной связи автогенератора 1. В обмотках 7 и 8 наводятся э.д.с. направленные согласно, Во вторичной цепи ток протекает по цепи (фиг.26) начало обмотки 7, резистор 19,

0 диод 15, конденсатор 9, конец обмотки 7. На конденсаторе фильтра 9 формируется постоянный положительный уровень пропорциональный ивых1. В то же время в этом полупериоде протекает ток обусловленный

5 э.д.с. обмотки 8 по цепи: конец обмотки 8, конденсатор 9, диод 16, резистор 20, начало обмотки 8. На конденсаторе фильтра 9 формируется постоянный отрицательный уровень напряжения пропорциональный 1)Вых2.

0 В результате на конденсаторе 9 устанавливается уровень сигнала Ui пропорциональный разности ивых1-ивых2, например, . Во втором полупериоде ток протекает по цепи: конец обмотки 7, конденсатор 11, ди5 од 17, резистор 19, начало обмотки 7. На конденсаторе фильтра 11 формируется постоянный отрицательный уровень (на выходном зажиме 13 относительного выходного зажима 14) пропорциональный

0 КвыхЧ. В то же время во втором полупериоде протекает ток, обусловленный э.д.с. обмотки 8 по цепи: начало обмотки 8, резистор 20, диод 18, конденсатор 11, конец обмотки 8. На конденсаторе фильтра 11 формируется

5 постоянный положительный уровень напряжения, пропорциональный 11вых2. В результате на конденсаторе фильтра 11 устанавливается уровень сигнала , пропорциональный разности ивых2-ивых1 при

0 Швыхт Швых21 . Максимальный размах выходного сигнала определяется в кольцевом диодном месте (фиг.26) удвоенным значением падения напряжения на открытом диоде. Существенно больших размах вы5 ходного сигнала можно получить при использовании кольцевого диодного моста, изображенного на фиг.2г, но при этом необходимо подобрать по номиналу четыре сопротивления 19, 20, 21, 22. Максимально возможной чувствительности, при заданном значении дифференциального трансформаторного датчика перемещения, можно добиться при согласном включении вторичных обмоток 7 и 8 (фиг.4, 5) и использовании кольцевого диодного моста, изображенного на фиг.2а.

Рассмотрим работу вторичной цепи в каждой из двух полупериодов. В первом полупериоде ток протекает по цепи: начало обмотки 7, диод 15, конденсатор 9, конец обмотки 7. На конденсаторе фильтра 9 формируется постоянный положительный уровень (на выходном зажиме 12 относительно выходного зажима 14) пропорциональный ивых1. В то же время в этом полупериоде протекает ток, обусловленный э.д.с. обмотки 8 по цепи: конец обмотки 8, диод 18, конденсатор 11, начало обмотки 8. На конденсаторе фильтра 11 формируется постоянный положительный уровень {на выходном зажиме 13 относительно зажима 14) пропорциональный 1)Вых2. Во втором полупериоде ток протекает по цепи: конец обмотки 7, конденсатор 11 диод 17, начало обмотки 7. На выходе 13 формируется относительно выхода 14 результирующий сигнал , пропорциональный разности ивых2Utjbixl при iUsbixll IUBbix2l.

В то же время во втором полупериоде протекает ток цепи: начало обмотки 8, конденсатор 9, диод 16, конец обмотки 8. На выходе 12 формируется относительно выхода 14 результирующий сигнал . пропорциональный разности ивых1-ивых2 при

lUebixll Швых21.

Для расширения диапазона выходных сигналов можно использовать кольцевой диодный мост, изображенный на фиг.2в или фиг.2г. Таким образом, уравновешивание реактивной составляющей тока вторичных обмоток 7, 8 путем изменения величины образцового элемента 3, подключенного параллельно одной из первичных обмоток 5 или 6, позволяет исключить аддитивную составляющую общей погрешности,повысить линейность преобразования при переходе якоря через нейтральное положение и расширить диапазон линейного преобразователя перемещения при сохранении прежних размеров дифференциального трансформаторного преобразователя перемещения за счет встречного включения пер- вичных обмоток 5 и 6.

Формула изобретения Прецизионный измеритель перемещений, содержащий ав огенератор, дифференциальный трансформаторный преобразователь перемещений, один из выводов первичной обмотки которого через конденсатор связи подсоединен к одному из входов положительной обратной связи

автогенератора, первая и вторая вторичные обмотки дифференциального трансформаторного преобразователя перемещения соединены последовательно встречно или последовательно согласно, вторые выводы

вторичных обмоток соединены с первым и вторым выводами одной из диагоналей кольцевого диодного моста, первый и второй выводы второй диагонали которого являются выходами преобразователя и

подключены к одним из обкладок первого и второго конденсаторов фильтра соответственно, вторые обкладки которых объединены и подсоединены к общей точке соединения первой и второй вторичных обмоток дифференциального трансформаторного преобразователя перемещений и к третьему выходу преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазоналинейного преобразования перемещения в постоянное напряжение, в дифференциальный трансформаторный преобразователь перемещения введены образцовой элемент и вторая первичная обмотка, включенная последовательно встречно с первой первичной обмоткой и соединенная с вторым входом положительной обратной связи автогенератора, общая точка соединения пер- вичных обмоток подключена через

образцовый элемент к одному из первых выводов одной из первичных обмоток дифференциального трансформаторного преобразователя перемещений.

00

го

g

со

-J -4 ел ел

(О

ел

:g го

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона линейного преобразования перемещения в постоянное напряжение. Измеритель перемещения содержит автогенератор, дифференциальный трансформаторный преобразователь перемещения, первичные обмотки которого включены последовательно встречно, их общая точка через образцовый резистор соединена с первым входом автогенератора и началом одной из первичных обмоток преобразователя, второй вход автогенератора через конденсатор соединен с началом второй первичной обмотки. Вторичные обмотки преобразователя включены согласно или встречно и соединены соответственно разноименными или одноименными входами с выводами одной диагонали кольцевого диодного моста, выводы второй диагонали моста являются выходами измерителя и подключены к одним из обкладок первого и второго конденсаторов фильтров, вторые обкладки которых подсоединены к общей точке вторичных обмоток преобразователя и третьему выходу измерителя. 6 ил. W Ё

Фиг. 5

ФцъВ