Измерительное устройство Советский патент 1992 года по МПК G01B7/18 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам, обеспечивающим измерение деформаций на элементах вращающихся объектов с бесконтактными способами передачи информа- ции.

Известны устройства тензометрирова- ния вращающихся объектов.

Устройства представляют собой первичные и вторичные преобразователи ин- формации об измеряемых параметрах, располагаемых как на вращающейся части тензометрмруемого обьекта, так и на стационарной части, при этом блоки сопряжения элементов устройств стационарной и вра- щающейся частей представляют собой воздушные трансформаторы, передающие энергию питания тензомобтов и электронной аппаратуры от стационарной и вращающейся части устройства через воздушные трансформаторы и емкости, одна обкладка которых неподвижна, а другая - вращающаяся для передачи измерительной информации 1.

Наиболее близким по технической сущ- ности, достигаемому эффекту и конструкции к измерительному устройству является изделие MODEL 1600A, выпускаемое фирмой ACUREX США, для измерения момента на вращающемся валу 2.

Устройство содержит воздушный трансформатор, включающий обмотку на стационарной части и обмотку на вращающейся части устройства, генератор импульсов с частотой 160 кГц и усилитель, содержащийся на стационарной части устройства, частотный модулятор и вращающуюся обкладку конденсатора, находящиеся на вращающейся части устройства, а также стационарную обкладку конденсатора, усилитель, фазовый демодулятор, фильтр низких частот и калькулятор, находящиеся на стационарной части устройства. Устройство устанавливается на вращающейся и стаци-

онарной части объекта, причем вращающейся частью устройство соосно с вращающимся объектом и работает следующим образом.

Импульсы, частотой 160 кГц. с генератора передаются от стационарной части через, воздушный трансформатор на вращающуюся часть для запитывания тензорезисторно- го моста. Снимаемые с другой диагонали моста сигналы модулируются и передаются через конденсатор, обкладки которого находятся на стационарной и вращающейся частях объекта, усиливаются, поступают на фазовый демодулятор и фильтр низких частот, а далее на цифровой калькулятор.

Однако, это устройство не обеспечивает высокой точности измерений в широком диапазоне температур и при длительных испытаниях, поскольку при этих условиях изменяются характеристики устройства из- за воздействия внешней среды, а компенсирующие свойства электронной части не высоки, так как система измерения имеет открытый или разомкнутый вид.

Кроме того, конструкция устройства рассчитана только на один измерительный канал.

Целью изобретения является повышение точности в широком температурном диапазоне, длительных испытаниях, росте также по высокооборотности и числу измерительных каналов. Поставленная цель достигается тем, что измерительное устройство, содержащее два параллельно соединенных тензоре- зисторных полумоста, первый и второй конденсаторы, каждый из которых соединен со средней точкой соответствующего полумоста, первый воздушный трансформатор, выполненный с одной первичной и с двумя вторичными обмотками, второй воздушный трансформатор, выполненный с одной первичной и двумя вторичными обмотками, каждая из которых последовательно соединена с соответствующей вторичной обмоткой первого воздушного трансформатора,

третий конденсатор, шунтирующий первую пару последовательно соединенных вторичных обмоток воздушных трансформаторов, задающий генератор импульсов, стабилизатор напряжения, соединенный с задающим генератором импульсов, делитель частоты с парафазными выходами, последовательно соединенный с задающим генератором импульсов, первый и второй МДП. Транзисторы, затвор каждого из которых соединен с соответствующим выходом делителя частоты, а исток заземлен, четвертый и пятый конденсаторы, каждый из которых соединен с соответствующим стоком первого и второго МД(1 транзистора и заз емлен, шестой конденсатор, соединен со стоком первого МДП транзистора и с первичной обмоткой первого воздушного трансформатора, седьмой конденсатор, соединенный со стоком второго МДП транзистора и с первичной обмоткой второго воздушного трансформатора, первый и второй соглас ующие трансформаторы, первичная обмотка каждого из которых соединена с соответствующим стоком первого или второго МДП транзистора, фильтр нижних частот, фазовый демодулятор, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты, а выход со входом фильтра нижних частот, нуль-индикатор, выход которого соединен с входом фазового демодулятора, а вход соединен с выходом делителя частоты, входной коммутатор с двумя входами, каждый из которых соединен с соответствующим первым или вторым конденсатором, и выходом, соединенным с нуль-индикатором, первичные обмотки воздушных трансформаторов соединены последовательно, точка соединения второй пары последовательно соединенных вторичных обмоток воздушных трансформаторов заземлена, а другие выводы второй пары последовательно соединенных вторичных обмоток воздушных трансформаторов образуют диагональ питания параллельно включенных тензорезисторных полумостов, а тензоре- зисторные полумосты, вторичные обмотки воздушных трансформаторов, третий конденсатор и одна из обкладок каждого из первого и второго конденсаторов предназначены для размещения на исследуемом объекте, снабжено ключевым элементом, вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, а управляющий вход соединен с выходом делителя частот, усилителем мощности, вход которого соединен с выходом ключевого элемента, восьмым конденсатором, соединенным с выходом усилителя мощности, трансформатором уравновешивания, первый выход первичной обмотки которого соединен с восьмым конденсатором,

а второй вход его первичной обмотки заземлен, первый выход его вторичной обмотки подключен к общей точке первичных обмоток воздушных трансформаторов, а второй 5 выход его вторичной обмотки заземлен, девятым и десятым конденсаторами, каждый из которых соединен с соответствующим питающим тензорезисторные полумосты выходом вторичной обмотки соответствующего воз0 душного трансформатора, нормализатором напряжения питания тензорезисторных полумостов, каждый из двух входов которого соединен с соответствующим девятым или десятым конденсатором, управляемым ста5 билизатором напряжения питания трансформаторов нагрузки МДП транзисторов, вход которого соединен с выходом нормализатора напряжения питания тензорезисторных полумостов, а выход - к средней точке вто0 ричных обмоток согласующих трансформаторов, блоком подстроечных резисторов компенсации разбаланса тензорезисторных мостов, вход которого соединен с выходом нормализатора напряжения питания

5 тензорезисторных полумостов, а суммарный выход подключен к нуль-индикатору одна из обкладок каждого из девятого и десятого конденсаторов предназначена для закрепления на исследуемом объекте, управ0 ляющий вход блока подстроечных резисторов компенсации разбаланса тензорезисторных полумостов и выход коммутатора предназначен для подключения к внешним устройствам. Физическим моделированием установлено,

5 что введение в устройство автокомпенсатора, реализованного путем снабжения устройства, ключевым элементом, фильтром нижних частот, дополнительным усилителем мощности, делителем частоты с парафазным выхо0 дом, разделительным конденсатором, трансформатором уравновешивания, двух дополнительных конденсаторов со стационарной и вращающейся обкладками, нормализатора напряжения питания тензорезисторных

5 полумостов, управляемого стабилизатора напряжения питания трансформаторов нагрузки МДП транзисторов, блока подстроечных резисторов компенсации разбаланса тензорезисторных полумостов по реактивной

0 составляющей, обеспечивает повышение точности измерений в широком температурном диапазоне при длительных испытаниях для нескольких измерительных каналов вращающегося с высокими оборотами объекта.

5 На чертеже приведена структурная схема измерительного устройства.

Измерительное устройство содержит два МДП транзистора 1 и 2, истоки которых заземлены, а стоки идут на первичные обмотки Wi, трансформаторов нагрузки 3 и 4

с одной стороны, причем сток транзистора 1 через конденсатор 5 зашунтирован на землю и через разделительный конденсатор б соединен с вращающейся обмоткой WL воздушного трансформатора 7, сток трансформатора 2 через конденсатор 8 зашунтирован на землю и через разделительный конденсатор 9 соединен с вращающейся обмоткой Wi воздушного трансформатора 10, средняя точка обмоток Wi и Wi трансформаторов 7 и 10 соединена с обмоткой Wa трансформатора 11, второй конец которой заземлен, вторичные обмотки Wa вращающихся трансформаторов 7 и 10 соединены между собой с одной стороны, а с другой стороны соединены резонансной емкостью 12, одни концы обмоток Л/2 трансформаторов 7 и 10 их общей точкой заземлены, а другие концы этих обмоток Wa трансформаторов 7 и 10 подключены к тензорези- сторным полумостам, образованным датчиками 13, 14, 15, 16, 17. 18. причем вершины полумостов соединены с вращающимися обкладками конденсаторов 19 и 20, а средние точки полумостов соединены с вра- щающимися обкладками конденсаторов 21, 22 и 23, стационарные обкладки конденсаторов 19 и 20 подключены на вход нормализатора напряжения 24, который двумя своими выходами связан с блоком подстроечных резисторов 25, одновременно с этим стационарные обкладки конденсаторов 21. 22 и 23 соединены со входом коммутатора 28, который еще тремя входами, также как и блок подстроечных резисторов 25 связан с внешним устройством сигналами 2°, 21. 22, а вход коммутатора 26 подключен к нуль-органу 27, два выхода которого подключены к фазовому демодулятору 28, управляющий вход которого подключен к одному из парафазных выходов делителя частоты 29, парафазные выходы которого также подключены к затворам МДП транзисторов 1 и 2 и одному входу ключевого элемента 30, второй вход которого соединен с одним из двух выходов фильтра нижних частот 31, второй вход которого ± 10 В идет на внешнее устройство, а выход ключевого элемента 30 подключен ко входу усилителя мощности 32, выход которого через разделительный конденсатор 33 идет на первичную обмотку трансформатора 11. второй выход которого заземлен.

Устройство может быть выполнено на базе микроэлектронных средств серий 564, 590, 140. Конкретно: коммутатор 26 может быть построен на базе микросхемы 590КН6, аналогично на базе уже двух микросхем 590КН6 может быть построен коммутатор 25. Блок 24 как и блок 27 может быть выполнен

на базе двух операционных усилителей серии 140 каждый. Фазовый демодулятор 28 может быть построен на микросхеме серии 590КН4, ключевой элемент 30 - на микросхеме серии 590КН9, усилитель мощности 32 - на МДП транзистора 2П901, стабилизатор 34 - на базе стабилитрона КС814, стабилизатор 32 - на базе микросхемы 142ЕН6, а управляемый стабилизатор напряжения 36 на базе операционного усилителя серии 140 и умощняющего каскада.

Генератор тактовых импульсов 35 может быть построен на базе микросхемы 564ЛА7, а парафазный делитель частоты 29

- на 564ТМ2 с умощняющим выходом на базе микросхемы 564ЛА10.

Устройство работает следующим образом.

С включением питания +12 +24 В стабилизатор 34 подает напряжение +10 В на генератор импульсов 35, рабочая частота которого подбирается и стабилизируется с учетом резонанса во вторичных обмотках

трансформаторов 7 и 10. После деления на делителе 25 частота генератора 35 поступает на затворы МДП транзисторов 1 и 2, управляя их противофазным открытием и закрытием.

При включении питания производится также включение управляемого стабилизатора напряжения 36 с выходным стабилизированным напряжением +10 В, подаваемым на среднюю точку первичных обмоток

трансформаторов 3 и 4, являющихся индуктивной нагрузкой МДП транзисторов 1 и 2. Возникающее при работе транзисторов 1 и 2 переменное напряжение во вторичных обмотках Wa трансформаторов 3 и 4 поступает

на стабилизатор 37. обеспечивающий гальванически развязанное от сети 12-24 В напряжение ±15 В всех электронных блоков устройства для повышения их помехоустойчивости.

Одновременно прямоугольные противофазные импульсы, снимаемые с индуктивной нагрузки МДП транзисторов 1 и 2 поступают через разделительные конденсаторы 6 и 9 на последовательно соединенные

стационарные обмотки Wi вращающихся воздушных трансформаторов 7 и 10. Средняя точка этих обмоток заземлена через последовательно включенную понижающую вторичную обмотку W2 трансформатора 11,

обеспечивая включение этих транзисторов. Конденсаторы 5 и 8 шунтируют стоки МДП транзисторов 1 и 2 на шину изделия и обеспечивает их защиту от встречных противо- ЭДС, возникающих в индуктивной нагру.чке при отключении цепи питания.

С целью деформирования гармонического сигнала во вторичных обмотках Л/2 трансформаторов 7 и 10 и получения резонанса напряжения в этих трансформаторах, в них дополнительно выполнены обмотки Л/з, которые включены последовательно и зашунтированы резонансным конденсатором 12, который обеспечивает настройку на частоту 20000-30000 Гц при нагрузке обмоток Л/2 восемью тензорезисторными полу- мостами с номинальным сопротивлением тензорезистора 120-200 см. Тензорезисто- ры 16, 17, 8 включены в качестве активных по трехпроводной схеме для компенсации сопротивления соединительных проводов, что на схеме не показано.

Тензорезисторы 13, 14, 15 являются компенсационными, также возможно и их активное включение

Последовательно включенные обмотки Л/2 трансформаторов 7 и 10 с заземленной точкой их соединения при подаче питания на тензорезисторные полумосты образуют многоплечевой измерительный трансформаторный мост, измерительная диагональ кото- рого, в свою очередь, образуется земляной шиной и соответствующим выводом средней точки тензорезисторного полумоста, соответственно подключенного к вращающейся пластине воздушного конденсатора 21, 22, 23.

Процесс измерения изменения сопротивления тензорезисторов 13 14,15,16, 17, 18 начинается с выбора соответствующего канала путем подключения соответствующей стационарной пластины одного из вра- щающихся конденсаторов 21, 22, 23 коммутатором 26 при подаче на входы коммутатора 26 управляющего трехбитного двоичного кода 2°, 21, 22 от внешнего устройства.

Измерительное устройство строится по схеме автокомпенсатора для чего с целью исключения влияния нестабильности напряжения питания на датчики а также для обеспечения стабильности и линейности усилителя сигналов достаточно обеспечить распознавание знака или фазы разбаланса тензорезисторного моста при необходимой чувствительности и быстродействии усилительного тракта устройства

С целью компенсации разбаланса тензо- резисторного моста по реактивной составляющей, учитывая, что датчики запитываются переменными гармоническими сигналами, через два вращающихся воздушных конденсатора 19 и 20 напряжение питания тензо- резисторов 13, 14 15,16,17 18 подается на нормализатор 24, сигнал с которого поступает на блок подстроечных резисторов 25. Индивидуально для каждого тензорезисторного полумоста имеется свой однократно настраиваемый резистор Суммарный выход сигналов этих резисторов и сигналов разбаланса моста поступает на один из входов нуль-органа 27. Парафазный аналоговый сигнал с нуль-органа 27 поступает на вход фазового демодулятора 28. который в такт с частотой импульсов питания первичных обмоток трансформаторов 7 и 10 производит детектирование сигналов измерительного моста, интегрируемых затем фильтром нижних частот 31 в выходной сигнал, величина которого пропорциональная сигналу разбаланса с моста. Выходной сигнал затем также модулируется частотой импульсов питания в ключевом элементе 30; усиливается усилителем мощности 32 и через разделительный конденсатор 33 подается на первичную обмотку Wi трансформатора уравновешивания 11, выходящую на точку соединения обмоток Wi трансформаторов 7 и 10

Трансформаторы 7 и 10 являются понижающими в соотношении 4 к 1. Трансформатор 11, также понижающий 15-30 к 1. В силу этого, подаваемый на первичную обмотку Wi трансформатора 11 и нормируемый в пределах ±10 В импульсный сигнал вызывает изменение потенциалов в обмотках W2 трансформаторов 7 и 10 в пределах ±100 мВ. Так как изменение сигнала разбаланса тензомоста в рабочем диапазоне составляет, примерно, ±100 мВ. то этот разбаланс можно компенсировать на вращающейся части устройства, подавая соответствующим образом нормируемый сигнал через обмотку Л/2 трансформатора 11. При этом в одном случае фаза сигнала Wi трансформатора 11 будет совпадать с фазой сигнала Wi, трансформатора 7. а фаза сигнала Wi трансформатора 10 будет противоположна, а в другом случае наоборот.

Так как процесс уравновешивания происходит при подаче сигнала в трансформатор 11, при этом усилитель 32 работает с шунтированием сигнала с фильтра низкой частоты 31 на шину земли, то процесс распознавания разбаланса и уравновешивания его является достаточно быстродействующим и устойчивым.

С целью стабилизации напряжения питания тензорезисторных полумостов напряжением с обмоток Wa трансформаторов 7 и 10 введен второй контур обратной связи, входящий в состав автокомпенсатора. В качестве сигнала обратной связи используется сигнал нормализатора напряжения 24, который выпрямляется и подается на дополнительный вход управляемого стабилизатора напряжения 36. Это позволяет при уменьшении амплитуды питания тензорезисторных полумостов из-за обрывов или замыканий в цепях тензодатчиков пропорционально увеличивать напряжение на выходе стабилизатора 36, что приводит к увеличению амплитуды импульсов питания первичных обмоток W, трансформаторов 7 и 10. Аналогичный процесс с обратными значениями сигналов происходит при увеличении амплитуды напряжения питания тензомо- стов.

Схема устройства построена таким образом, что на вращающейся части нет радио- электронных элементов, чувствительных к действию центробежной силы, таких как ин- тегралъные микросхемы, операционные усилители, транзисторы и т.д., что позволяет расширить его функциональные возможности за счет применимости на более высокооборотных объектах, с числом оборотов в десятки тысяч, в то время как известные многоканальные устройства позволяют их использование при числе оборотов на порядок меньше.

Формула изобретения Измерительное устройство, содержащее два параллельно соединенных тензоре- зисторных полумоста, первый и второй конденсаторы, каждый из которых соединен со средней точкой соответствующего полумоста, первый воздушный трансформатор, выполненный с одной первичной и с двумя вторичными обмотками, второй воздушный трансформатор, выполненный с одной первичной и двумя вторичными обмотками, каждая из которых последовательно соединена с соответствующей вторич- ной обмоткой первого воздушного трансформатора, третий конденсатор, шунтирующий первую пару последовательно соединенных вторичных обмоток воздушных трансформаторов, задающий генератор импульсов, стабилизатор напряжения, соединенный с задающим генератором импульсов, делитель частоты с ларафазными выходами, последовательно соединенный с задающим генератором импульсов, первый и второй МДП, транзисторы, затвор каждого из которых соединен с соответствующим выходом делителя частоты, а исток заземлен, четвертый и пятый конденсаторы, каждый из которых соединен с соответствующим стоком первого и второго МДП транзистора и заземлен, шестой конденсатор, соединен со стоком первого МДП транзистора и с первичной обмоткой первого воздушного трансформатора, седьмой конденсатор, соединенный со стоком второго МДП транзистора и с первичной обмоткой второго воздушного трансформатора, первый и второй согласующие трансформаторы, первичная обмотка каждого из которых соединена с соответствующим стоком первого или второго МДП транзистора, фильтр нижних частот, фазовый демодулятор, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты, а выход с входом фильтра нижних частот, нуль-индикатор, выход которого соединен с входом фазового демодулятора, а вход соединен с

0 выходом делителя частоты, входной коммутатор с двумя входами, каждый из которых соединен с соответствующим первым или вторым конденсатором, и выходом, соединенным с нуль-индикач ором, первичные обмот5 ки воздушных трансформаторов соединены последовательно, точка соединения второй пары последовательно соединенных вторичных обмоток воздушных трансформаторов заземлена, а другие выводы второй пары последова0 тельно соединенных вторичных обмоток воздушных трансформаторов образуют диагональ питания параллельно включенных тензо- резисторных полумостов, а тензорезисторные полумосты, вторичные обмотки воздушных

5 трансформаторов, третий конденсатор и одна из обкладок каждого из первого и второго конденсаторов предназначены для размещения на исследуемом объекте, снабжено ключевым элементом, вход которого соединен с выходом

0 фильтра нижних частот , а управляющий вход соединен с выходом делителя частот, усилителем мощности, вход которого соединен с выходом ключево ч) элемента, восьмым конденсатором, соединенным с выходом

5 усилителя мощности, трансформатором уравновешивания первый выход первичной обмотки которого соединен с восьмым конденсатором, а второй вход его первичной обмотки заземлен, первый выход его вторичной

0 обмотки подключен к общей точке первичных обмоток воздушных трансформаторов, а второй вцход его вторичной обмотки заземлен, девятым и десятым конденсаторами, каждый из которых соединен с соответствующим пи5 тающим тензорезисторные полумосты выходом вторичной обмотки соответствующего воздушного трансформатора, нормализатором напряжения питания тензорезисторных полумостов, каждый из двух входов которого соеди0 нен с соответствующим десятым или девятым конденсатором, управляемым стабилизатором напряжения питания трансформаторов нагрузки ЦЦП транзисторов, вход которого соединен с выходом нормализатора напряжения

5 питания тензорезисторных полумостов, а выход - к средней точке вторичных обмоток согласующих трансформаторов, блоком под- строечных резисторов компенсации разбаланса тензорезисторных мостов, вход которого соединен с выходом нормализато

#

pa напряжения питания тензореэисторныхдуемом объекте, управляющий вход блока

полумостов, а суммарный выход подключенподстроенных резисторов компенсации

к нуль-индикатору, одна из обкладок каж-разбаланса тензорезисторных полумостов

дого из девятого и десятого конденсаторови выход коммутатора предназначены для

предназначена для закрепления на иссле-5 подключения к внешним устройствам.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам, обеспечивающим измерение деформаций на элементах вращающихся объектов, Цель изобретения - .повышение точности. Устройство позволяет с высокой точностью и надежностью определить деформации вращающейся части конструкции объекта испытания с числом оборотов до 10.000 об/мин в широком температурном диапазоне и с